DE1959282A1

DE1959282A1 - Launch vehicle system for spacecraft

Info

Publication number: DE1959282A1
Application number: DE19691959282
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Reichert Rudi G
Original assignee: Dornier System GmbH
Current assignee: Dornier System GmbH
Priority date: 1969-11-26
Filing date: 1969-11-26
Publication date: 1971-06-03

Description

Trägerraketen-System für Raumfahrzeuge Die Erfindung betrifft ein mehrstufiges Trägerraketen-System für Raumfahrzeuge. In diese!@..Trägerraketen-System wird von der Parallelanordnung von Tank-Triebwerkseinheiten Ge- brauch gemacht, wobei also jeweils Tank und dazugehörigen Triebwerk zu einer Einheit zusammengefaßt sind. Launch vehicle system for space vehicles The invention relates to a multi-stage launch vehicle system for space vehicles. In this! @ .. launchers system is made use of the parallel arrangement of tank-engine units overall, so with each tank and associated engine are combined into one unit.

Für die verschiedenartigsten Einsatzzwecke in der Raumfahrt reichen in den meisten Fällen einstufige Trägerraketen-Systeme nicht aus. Man verwendet daher mehrstuf ige Trägersysteme, um einen totalen Impuls, d. h. das Produkt aus Schub und Brennzeit, aufzubringen, der ausreicht, um ent- weder größere Nutzlast in Umlaufbahnen um die Erde befördern zu können, oder um für z. B. interplanetare Sonden die Erdan- ziehung überhaupt zu überwinden. For the most varied of uses in space travel, single-stage launch vehicle systems are in most cases not sufficient. Multi-stage carrier systems are therefore used to apply a total impulse, ie the product of thrust and burning time, which is sufficient to either transport larger payloads in orbits around the earth , or to e.g. B. interplanetary probes to overcome the gravitational pull at all.

Bisher sind im allgemeinen wehrstufige Trägeltraketen-Systeme verwendet worden, deren Stufen hintereinander angeordnet sind und nacheinander gezündet werden. Solche Systeme haben den Nachteil, daß sie einen verhältnismäßig großen Ballast, nämlich die nächsten Raketenstufen mitführen müssen. Die erste Stufe muß daher so stark ausgeführt sein, daß außer der eigentlichen Nutzlast noch die Triebwerke mit den zugehö- rigen Tankanlagen und Treibstoffvorräten der nächsten Stufen von ihr befördert werden können. Nach Ausbrennen der ersten Stufe, d. h. wenn ihr Treibstoffvorrat verbraucht ist, wird diese Stufe abgeworfen und die nächste Raketenstufe gezündet. Diese Aneinanderreihung der. Stufen wird so weit fortgeführt., bis die Nutzlast auf die geforderte Geschwindigkeit gebracht ist bzw. in das vorgesehene Miseionsgebiet, z. B. Umlaufbahn oder dergl., gelangt. Das Zünden der Triebwerke der einzel- nen Stufen und eine einwandfreie Stufentrennung in größeren Höhen unter Raumbedingungen bzw. unter Schwerelosigkeit be- darf besonderer Vorkehrungen und erfordert daher einen er- höhten technischen Aufwand. Außerdem bedingt auch diese Art der Stufung mehrerer Einzelraketen bauliche Schwierigkeiten, da meist eine große Bauhöhe resultiert. So far, defense stage launch vehicle systems have generally been used, the stages of which are arranged one behind the other and are ignited one after the other. Such systems have, that, n äm Lich the next rocket stages must carry the disadvantage of a relatively large ballast. The first step must therefore be as strong run that besides the actual payload nor the engines can be transported with the zugehö- engined tank systems and fuel inventories of the next stages of her. After the first stage has burned out, ie when its fuel supply is exhausted, this stage is thrown off and the next rocket stage is ignited. This juxtaposition of the. Stages so far continued., Is brought to the required speed until the payload or in the intended Miseionsgebiet, z. B. orbit or the like., Arrives. Allowed loading the firing of the engines of the individual steps and proper staging at higher altitudes under ambient conditions or under microgravity special provisions and therefore requires a in- creased technical effort. In addition , this type of staging of several individual rockets also causes structural difficulties, since it usually results in a large overall height.

Bei einer anderen Art -vön~ mehrstufigen Trägerraketen-System« werden eine Anzahl von Zusatzraketen um eine zentrale Rakete gebündelt angeordnet. Ein solch gebündelter Raketenträger wird z. B. dazu verwendet, den hohen erforderlichen Startschub aufzubringen. Die gebündelten Außenraketen werden beim Start allein gezündet und nach ihrem Brennachluß abge- worfen. Hernach erst wird die zentrale Rakete gezündet und die Nutzlast in das verlangte Missionsgebiet getragen. Der wesentliche Nachteil des hier genannten Trägersystems besteht darin, daß auch hier die Zündung der Stufen nacheinander er- folgt und mit den obengenannten Schwierigkeiten verknüpft ist, außerdem muß auch hier das Gewicht der folgenden Stufe zu- nächst von der ersten Stufe getragen werden, so daß wiederum die erste Stufe groß genug dimensioniert werden muß.In another type ~ multistage launch vehicle system "-vön be arranged bundling a number of boosters to a central rocket. Such bundled rocket carrier for. B. used to provide the high starting thrust required. The bundled external missiles are ignited on their own at takeoff and thrown off after they have burned out. Only then is the central rocket ignited and the payload carried to the required mission area. The main drawback of the mentioned carrier system is that also the ignition of the stages following one after the ER and is linked to the above difficulties, in addition the weight must also here the following stage initially from the first stage are supported, so that in turn, the first step must be sized large enough.

Beide Arten von Trägersystemen sind aber in ihrer Ein- satzmöglichkeit eingeschränkt, da für unterschiedliche Nutz- lastgewichte und unterschiedliche Missionen bzw. Geschwindigkeiten jeweils eine besondere Bemessung und Konstruktion des Trägersystems erforderlich ist. Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, ein mehrstufiges Trägerraketen-System zu schaffen, das es erlaubt, reit möglichst standardisierten Bau- einheiten für eine Vielzahl von Einsatzfällen auszukommen. Dabei soll vor allen Dingen auch der erforderliche Startschub sichergestellt sein und die genannten Schwierigkeiten der Stufeatrennung und* Zündung der nachfolgenden Stufen sollen vermieden werden. Erfindungsgemäß wird das Ziel dadurch erreicht, daß die Triebwerkseinheiten zu Gruppen zusammengefaßt und gruppenweise nacheinander abwerfbar sind, wobei die Tank-Triebwerkseinheiten durch Brennstoffleitungen der- art untereinander verbunden sind, daß alle Triebwerke gleich- zeitig in Betrieb sind und aus den Tanks der zunächst abwerfbaren Gruppe (erste Gruppe) gespeist_-werden, und daß Trennschaltvorrichtungen vorgeseheä sind, die nach Abwurf der vorangehenden Tank-Triebwerkseinheiten-,Gruppe (erste Gruppe) die Brennstoffversorgung aller noch verbleibenden Triebwerkseinheiten (folgende Stufen) aus den Tanks der folgenden (zweiten) Gruppe durchführen. Both types of delivery systems but are limited in their inputs set mö possibility, as load weights for different commercial and different missions and speeds each special design and construction of the carrier system is required. The invention therefore had the object of the invention to provide a multi-stage carrier rocket system, which allows riding standardized possible construction units for a variety of use cases to get along. Above all, the required starting thrust should also be ensured and the difficulties of stage separation and ignition of the following stages should be avoided. According to the invention the object is achieved in that the power units are combined to form groups and are in groups in succession jettison, wherein the tank engine units through fuel lines art DER are interconnected that all engines at the same time in operation and out of the tanks of the first releasable group (first group) are fed, and that disconnection devices are provided which, after the previous tank engine unit group (first group) has been dropped, carry out the fuel supply to all remaining engine units (following stages) from the tanks of the following (second) group.

Durch dieses Tank-Triebwerksystem wird erreicht, daß nach Abwurf der ersten Tank-Triebwerkseinheiten die verblei- bende Konfiguration voll aufgetankt bleibt, obgleich alle Triebwerke bereits beim Start am Boden gezündet und zum Start- schub mitherangezogen werden. Der wesentliche Vorteil dieses Prinzips besteht auch darin, daß man je nach Einsatzzweck der Raketen eine unterschiedliche Anlage von Baueinheiten zum Einsatz bringen kann, wodurch mit ein und derselben Entwick- lung die Kapazität verschiedener Trägersysteme im Tandemprinzip mit gutem Wirkungsgrad ausgenützt wird. This tank-engine system ensures that after the first tank-engine units have been dropped, the remaining configuration remains fully refueled , although all engines are already ignited on the ground during take-off and are also used for take-off thrust . The main advantage of this principle is also the fact that one can make a different system of units used depending on the intended use of the missiles, whereby one and the same development the capacity of different carrier systems in tandem with good efficiency principle is utilized.

Anhand eines Ausführungsbeispieles sei die Erfindung näher erläutert. The invention will be explained in more detail using an exemplary embodiment.

Es zeigen: Fig. 1 bis 3 die Anordnung von aus Tank und Triebwerk bestehenden Triebwerkseinheiten, Fig.la bis 3a Grundriß von Fig. 1 bis 3, Fig. 4 und 5 Varianten der Bündelung von mit Brennstoff leitufitlhrmg.In the drawings: Figures 1 to 3, the arrangement of consisting of tank and engine power units 3a to Fig.la plan view of Figure 1 to 3, Figure 4 and 5 variations leitufitlhrmg bundling with fuel....

Wie aus Fig. 1 bis 3 zu ersehen ist, bestehen die Tank-Triebwerkseinheiten aus einem Triebwerk 1 mit des zugehörigen Tank 2. Diese Tank-Triebwerkseinheiten sind Mppea- weise zusammengef aßt. Im Ausführungsbeispiel ist eine erste Gruppe von vier Tank-Triebwerkseinheiten mit der Bezeichnung 10 vorgesehen, dazu kommt eine aus zwei Tank-Triebwerkseinheiten bestehende Gruppe 9 und als letzte Gruppe eine einzelne Tank-Triebwerkseinheit B. Es ist angenommen, daß die Tank-Triebwerkseinheiten der beiden Gruppen 9 und 10 um die zen- trale Tank-Triebwerkseinheit 8 herum gebündelt angeordnet sind. Die Fig. 1 zeigt diese,Aaßrdünng in abgewickelter Form. In den Tanks -2 befinden sich der Brennstoff 3 sowie der für die Verbrennung notwendige Oxydator 4. Zu den Triebwerken 1 sind jeweils zwei I.d<tungen notwendig, nämlich die eigentliche Brennstoffleitung 5 und die Oxydatorleitung 6. Die Brennstoff-und Oxydatorleitungen 5, 6 stellen außerdem über Abzweigver- bindungen 11, 12 eine Verbindung sämtlicher Triebwerke 1 un- tereinander bzw. die zugehörigen Tanks 2 her, derart, daß schon beim Start am Boden alle Triebwerke mit Brennstoff ver- sorgt werden und laufen. Weiters sind zwischen den Brennstoff-und Oxydatorleitungen 5, 6 der einzelnen Triebwerke Trenn- schaltvorrichtungen ? eingefügt, die bewirken, daß der Treib- stoff zuerst aus den Tanks der ersten, mit 10 bezeichneten Gruppe verbraucht wird, also aus der Gruppe genommen wird, die zuerst abgeworfen wird. Dies geschieht bei den in Fig. 1 und la an der Außenseite angeordneten Triebwerkseinheiten 10. Nach erfolgtem Start und Erreichen einer bestimmten Missionshöhe sind die Tanks 2 der Triebwerkseinheiten -Gruppe 10 - ent- leert und diese Triebwerkseinheiten 10 können abgesprengt wer- den. Dabei schließen die Trennschaltventile ? die Verbindungs- wege der Treibstoffleitungen 5, 6 zu den abgesprengten Tanks 2. Die noch verbleibenden Gruppen 8, 9 der Triebverkseinheiten bleiben in Betrieb, wobei nach Verbrauch des Treibstoffvorrates aus den Tanks 2 der Gruppe 9 der Triebwerkseinheiten die Trennung in der.vorhin beschriebenen Weise erfolgt. Ferner sind hier wieder Abzweigverbindungen 11, 12 angeordnet, die außer der Verbindung vom Tank zum eigenen Triebwerk noch die Verbindung zu den übrigen Gruppen von Tank-TriebwerkaQinheiten herstellen. In besonderen Fällen kann ein Netz von Brennstoffverbindungsleitungen zwischen den einzelnen Grup- pen 8, 9, 10 der Tank-Triebwerkseinheiten angeordnet worden, wobei wahlweise durch Schaltmaßnahmen in diesen Verbindungs- leitungen die einzelnen Triebwerksgruppen und die Reihenfolge des Abwurfes wählbar sind. As can be seen from Fig. 1 to 3, the tank engine units are composed of an engine 1 with the associated tank 2. This tank thruster units are Mppea- example JOINT Asst. In the exemplary embodiment, a first group of four tank engine units with the designation 10 is provided, in addition there is a group 9 consisting of two tank engine units and the last group is a single tank engine unit B. It is assumed that the tank engine units of the two groups 9 and 10 around the cen- tral tank thruster unit 8 are arranged around bundled. Fig. 1 shows this, Aaßrdünng in developed form. The fuel 3 and the oxidizer 4 required for the combustion are located in the tanks -2 . Two connections are necessary for the engines 1 , namely the actual fuel line 5 and the oxidizer line 6. The fuel and oxidizer lines 5, 6 provide in addition, branch connections 11, 12 connect all the engines 1 to one another or to the associated tanks 2 in such a way that all engines are supplied with fuel and run on the ground as soon as they are started. Furthermore, between the fuel and Oxydatorleitungen 5, 6 of the individual engines separation switching devices? which have the effect that the fuel is first consumed from the tanks of the first group designated by 10, that is to say is taken from the group that is thrown off first. Blasted advertising empties unloading, these power units 10 can - this is done at the 10th in Figures 1 and la on the outside-arranged thruster units After start and reaching a certain mission level are the tanks 2 thrusterunits group 10.. Do the isolating valves close? the connecting paths of the fuel lines 5, 6 to the blasted tanks 2. The remaining groups 8, 9 of the engine units remain in operation, with the separation in the manner previously described after the fuel supply from the tanks 2 of the group 9 of the engine units has been consumed he follows. Furthermore , branch connections 11, 12 are again arranged here which, in addition to the connection from the tank to its own engine, also establish the connection to the other groups of tank / engine units . In special cases, a network of fuel connection lines can be arranged between the individual groups 8, 9, 10 of the tank engine units , with the individual engine groups and the order of the discharge being selectable by means of switching measures in these connection lines.

In Fig. 2 bzw. 2a ist dargestellt, wke---die Triebwerkskonfiguration aussieht, wenn die Triebwerkseinheiten der Gruppe 10 bereits abgeworfen sind. Schließlich bleibt, wie in Fig. 3 und 3a gezeigt ist, als letzte Gruppe nur noch die zentrale Triebwerkseinheit 8 übrig. Dieser steht für den Rest der Mis- sion noch ein gefüllter Tank 2 zur Verfügung, obwohl das Triebwerk vom Start weg dauernd in Betrieb stand. Diese letzte Stufe führt die Nutzlast in das vorhergesehene Zielgebiet. In Fig. 2 or 2a it is shown wke --- the engine configuration looks when the engine units of group 10 have already been dropped. Finally , as shown in FIGS. 3 and 3a, only the central engine unit 8 remains as the last group. A full tank 2 is still available for the remainder of the mission , although the engine was continuously in operation from the start. This last stage leads the payload to the intended target area.

Die Fig. Ia bis 3a zeigen im Grundriß sämtliche Tank- Triebwerkseinheiten der Gruppen 9 und 10, die. um die zentrale Tank-Triebwerkseinheit 8 gebündelt angeordnet sind. Die Anord- nung der Drennstoffleitungen 5, 6 und die zugehörigen Trenn- schaltventile 7 sind schematisch eingezeichnet. Es verbleibt jeweils ein Teil des Trennschaltventiles 7 an der der Triebwerkseinheit folgenden Gruppe, während der andere Teil mit der abgesprengten Triebwerkseinheit entfernt wird. Während in den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen grundsätzlich sämt- liche Triebwerke von den Tanks der zuerst abzuwerfenden Gruppe versorgt werden und ihre eigenen Tanks solange unangetastet lassen, besonders als nächste Gruppe abgeworfen werden soll und die Speisung ihrer eigenen Triebwerke und die Triebwerke aller nachfolgenden Gruppen durchführen, ist es such möglich, jedes Triebwerk aus dem eigenen zugeordneten Tank zu speisen, dafür aber die Tanks der nachfolgenden Gruppe stets aus den , speisenden Tanks der vorangehenden Gruppe nachzufüllen. Selbstverständlich ist die Gruppierung der Tank-Triebwerkseinheiten nicht nur auf die im Beispiel aufgeführte Art beschränkt, sondern es kann je nach Verwendungs-zweck eine Anordnung, wie in den Fig. 4 und 5 gezeigt, zur Anwendung gelangen. Da diese Leitungsführung an sich nicht Gegenstand der Erfindung ist, braucht sie auch nicht weiter erörtert zu werden. Wesentlich ist jedoch, daß man wahlweise Träger-Raketenkombinationen zusammenstellen kann, die für verschiedene Nutzlasten und Missionen geeignet sind. Durch geeignete Schaltmaßnahmen in»den Verbindungsleitungen sind die Tank-Triebwerkseinheiten und die Reihenfolge des Abwurfes wählbar. So kann z. B. auch bei Ausfall eines Triebwerks dafür gesorgt werden, daß der für dieses Triebwerk vorgesehene Kraftstoff in den verbleibenden Triebwerken Verwendung findet. Eine Schubunsymmetrie läßt sich in diesem Fall durch Regelung bzw. Steuerung der Triebwerke ausgleichen, jedoch steht im Gegensatz zu den bisherigen Anordnungen der Tankinhalt der ausgefallenen Tank-Triebwerkseinheiten immer noch zur Verfügung. Figs. Ia to 3a show in plan tank all the power units of the groups 9 and 10. are arranged bundled around the central tank engine unit 8. The arrangement of the fuel lines 5, 6 and the associated isolating switch valves 7 are shown schematically. In each case one part of the isolating valve 7 remains on the group following the engine unit, while the other part is removed with the engine unit that has been blown off. While in the embodiments described so far basically sämt- Liche engines of the tanks of the first discarding group are supplied and have their own tanks as long untouched, to be dropped especially as the next group and the power of their own engines and the engines perform all subsequent groups, It is also possible to feed each engine from its own assigned tank , but to always refill the tanks of the following group from the feeding tanks of the preceding group. Of course, the grouping of the tank engine units is not limited to only the listed type in the example, but it may vary depending on purpose of use, an arrangement as shown in Figs. 4 and 5, being used. Since this line routing per se is not the subject of the invention, it does not need to be discussed further. However, it is essential that one can optionally carrier rocket combinations put together, which are suitable for various payloads and emissions. The tank engine units and the order of the discharge can be selected by suitable switching measures in the connecting lines. So z. B. be ensured even in the event of an engine for the fact that the space provided for this engine fuel is used in the remaining engines. In this case, a thrust asymmetry can be compensated for by regulating or controlling the engines; however, in contrast to the previous arrangements, the tank contents of the failed tank engine units are still available.

Das Umschalten der Brennstoffverbindungsleitungen sowie das Ab- werfen der nicht mehr benötigten Tank-Triebwerkseinheiten kann in an sich bekannter herkömmlicher Weise, z. B. durch Fern-eteuersignale, Vorprogrammierung bzw. durch Teiemetrie erfolgen. Dadurch kann gesorgt werden, daß die Mission gerettet wird, d. h. man braucht nicht wegen Ausfall eines Triebwerks das ge- samte Trägersystem zu zerstören, weil nicht nur eine Kursabweichung der Rakete zu befürchten wäre, sondern auch das bliz.=-sionsziel nicht erreicht würde. Triebwerke, Tank. und Kompo- nenten sind nach dem Baukastenprinzip ausgelegt, wodurch die Entwicklung wesentlich vereinfacht wird. Eine wesentliche Verminderung der Herstellungskosten sowie der Lagerhaltung ist bei der Anwendung dieses Bauprinzips von großem Vorteil. Es ist selbstverständlich auch möglich, das oben erläuterte Prinzip für besondere Einsatzzwecke auch in Tandemnordnung anzuwenden, z. B. kann auf dem Trägersystem der in Fig. ! dargestellten Art ein zweites, jedoch wesentlich kleineres Stufensystem in Tandemanordnung aufgesetzt werden, wobei dasselbe nach dem gleichen Prinzip, z. B. in Art der Fig. 2, aufgebaut ist. Bei einem derartigen Oberstufensystem, das einen,relativ geringen Schubbedarf aufweist, ist es vorteilhaft, nur an der Zentraleinheit Triebwerke anzuordnen, wobei nur Tankstufung zur Anwendung gelangt:`"The switching of the fuel connection lines and the discarding of the tank engine units that are no longer required can be carried out in a conventional manner known per se, e.g. B. by remote control signals, preprogramming or by telemetry. This can be ensured that the mission is saved, that one does not need to destroy because of engine failure, the entire support system, because not only a course deviation of the rocket to be feared, but also the bliz = -. Sion target would not be achieved. Engines, tank. and components are designed according to the modular principle, which significantly simplifies development. A significant reduction in manufacturing costs and the inventory is in applying this construction principle of great advantage. It is of course also possible to use the principle explained above for special purposes in tandem, e.g. B. can on the carrier system in Fig.! type shown a second, but much smaller step system are placed in tandem arrangement, the same according to the same principle, for. B. in the manner of FIG. 2 is constructed. In such an upper stage system, which has a relatively low thrust requirement, it is advantageous to arrange engines only on the central unit, with only tank stages being used : ""

Claims

P 1. An 6iehrstufiges launchers system for spacecraft with parallel arrangement of tank engine units, characterized in that the power units into groups (8, 9, 10) JOINT Asst unäl-groups are sequentially jettison wherein die.Tank engine units by Fuel lines (5, 6) are connected to one another in such a way that all engines (1) are in operation at the same time and are fed from the tanks (2) of the group that can initially be dropped (e.g. first group 10) , and that disconnection devices (? are provided) which, after dropping of the pre-budding tank engine unit group (first group, z. B. 1Q) the fuel supply to all still remaining the engine units (the following groups, for. example, 8 and 9) from the tank ( 2) perform the following (second) group (e.g. group 9) .. 2. Carrier system according to claim 1, characterized in that disconnection devices (?) When the preceding group is dropped: group (e.g. group 10) se The engines (1) of the following group (e.g. B. Group 9) switch to self-supply and create branch connections (11, 12) of the fuel lines (5, 6) to the other groups (eg group 8) . 3. Carrier system according to claim 1 and 2, characterized by the use of the same tank-engine units in the groups (8, 9, 10). 4. A support system according to claim 1 to 3, characterized in that the dao a network of fuel connection lines (5, 6) zwisehen the individual groups (8, 9, 10) of the tank engine units is and optionally through scarf action in these interconnections, the individual engine groups and The order of release can be selected . 5. A support system according to claim 1, characterized in that apart from the compound for its own engine gene through the isolation switching devices (7) (1) Abzweigverbindun- (il, 12) to the tank (2) for the group (. B. Group 8 , 9) are formed. 6. Carrier system according to one of claims l to 5, characterized. by upper stage arrangement Gebrerer such, independently acting systems.