DE2122742A1

DE2122742A1 - Zweistufiger Hydrazin-Raketenmotor

Info

Publication number: DE2122742A1
Application number: DE19712122742
Authority: DE
Inventors: Robert F. Snohomish; Emmons Donald L. Issaquah Wash. Eggers (V.StA.)
Original assignee: Rocket Research Co
Current assignee: Rocket Research Co
Priority date: 1970-05-08
Filing date: 1971-05-07
Publication date: 1971-12-02
Also published as: US3695041A; FR2093469A5

Description

patsntanwSlte
Dr. Ing. Waiter Abitz
Dr. Dietsr F. Morf
Dr. Hans-A. Brauns

7. Mai I97I 35 858

ROCKET RESEARCH CORPORATION

York Center, Willow Rd. at N.E. U6th Street, Redmond, Washington 98052, V.St.A.

Zweistufiger Hydrazin-Raketenmotor

Die vorliegende Erfindung betrifft Gasgeneratoren wie sie in Raketenantrieben verwendet werden und insbesondere ein zweistufiges Antriebssystem, in welchem die Reaktionsprodukte einer ersten Einstoffstufe sowohl als Treibmittel wie auch als Kühlmittel für eine zweite Zweistoffstufe verwendet werden.

Hydrazin wurde bisher in Raketenantrieben mit einem Zweistoff-Treibmittel infolge seiner hohen Leistung und seines günstigen Lager- und Transportverhaltens als vorteilhafter Treibstoff angesehen. Die HauptSchwierigkeiten, welche bisher bei der Verwendung von flüssigem Hydrazin in Zweistoff-Trlebwerken aufgetreten sind, liegen darin, dass das thermische Zersetzungsverhalten von Hydrazin seine Verwendung als

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verlässliches regenerierendes Kühlmittel begrenzt haben, und dass das Einspritzen der Treibmittel als Flüssigkeit, beispielsweise von Hydrazin und Stickstofftetroxid häufig zu einem rauhen Anlaufbetrieb und einer Instabilität der Verbrennung führt. Ein Verfahren zur Verbesserung des ZundVerhaltens dieser Treibstoffe bestand darin, anstelle des Hydrazins ein anderes Treibmittel zu verwenden, wie beispielsweise *"* Aerozin 50 (HgH^/UDMH) oder MMH. Leider haben jedoch diese Hydrazinersatzstifte, einen geringeren spezifischen Impuls als Hydrazin. Dartiberhinaus wird Hydrazin bereits in grösserem Umfang als Einst'off-Treibmittel für Höhensteuersysteme und Druckgassysteme verwendet und es ist daher sehr erwünscht ₃ die Verwendung eines Hydrazin-Ersatzstoffes zu vermeiden, um damit die Notwendigkeit für einen dritten Speicherraum in einem Raumfahrzeug zu vermeiden.

Ein weiteres Verfahren für die Verwendung von Hydrazin als Hauptbrennstoff bestand darin, das Hydrazin zu zersetzen, um einen Schub einer ersten Stufe zu erzeugen und den Zersetzungsprodukten einen Sauerstoffträger zuzuführen, um einen zweiten höheren Schub einer sekundären Stufe zu erzeugen. In diesem Falle reagieren die Zersetzungsprodukte N₂;,' H₂, NH-* bereitwillig mit dem Sauerstoffträger, beispielsweise NpO₂, oder Fp, um die gewünschte hohe Leistung zu ergeben und damit die Verwendung eines Hydrazinersatzes und des zugehörigen Lagerraums zu vermeiden. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise in der USA-Patentschrift 3 149 beschrieben, die am 22. September 1964 an LaRocca erteilt wurde.

Bei der Reaktion zwischen den Hydrazin-Zersetzungsprodukten und einem Sauerstoffträger wird eine gewaltige Wärmemenge erzeugt. Die Schubkammerwände und die Düse müssen zu ihrem

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Schutz entweder aus wärmebeständigen Stoffen hergestellt sein, mit keramischen Materialien oder dergleichen beschichtet sein oder durch ein durch die Stoffe oder über sie fliessendes Kühlmittel gekühlt werden, oder aber durch eine Kombination dieser Massnahmen geschützt werden. Ein Verfahren zur Kühlung von Reaktionskammerwänden ist in der USA-Patentschrift 2 706 887 beschrieben, die am 26. April 1955 an Grow erteilt wurde, ßemäss dieser Patentschrift ist eine ringförmige Auskleidung in der Reaktionskammer vorgesehen und eines der Treibmittel wird innerhalb und ausserhalb der Auskleidung eingeführt. Das innerhalb der Auskleidung eingeführte Treibmittel wird mit einem zweiten Treibmittel zur Reaktion gebracht, wobei Reaktionsprodukte mit hoher Temperatur erzeugt werden. Das ausserhalb der ringförmigen Verkleidung zugefUhrte Treibmittel wird in einer derartigen äusseren Kammer zersetzt, um ein bewegtes Fluid rait niedrigerer Temperatur zu liefern.

Die vorliegende Erfindung betrifft einen zweistufigen Raketenmotor, welcher eine primäre Reaktionskammer aufweist, in der Hydrazin katalytisch zersetzt wird sowie eine zweite Reaktionskammer, in welcher die Zersetzungsprodukte des Hydrazins mit einem Sauerstoffträger zur Reaktion gebracht werden können.

Gemäss der vorliegenden Erfindung können die Zersetzungsprodukte des Hydrazins allein für einen Antrieb niedriger Energie verwendet werden und mit dem Sauerstoffträger zur Lieferung eines Antriebs hoher Energie zur Reaktion gebracht werden. Ferner werden während der sekundären Reaktion einige der Zersetzungsprodukte des Hydrazins mit Vorteil als KUhI-film für die Seitenwände der sekundäre Reaktionskammer verwendet.

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Die Erfindung wird anschliessend an Hand eines in den Zeichnungen dargestellten AusfUhrungsbeispiels beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Ansicht eines zweistufigen erfindungsgemassen Raketenmotors, teilweise in Seitenansicht und teilweise im Längsschnitt,

Fig. 2 einen Querschnitt im wesentlichen längs der Linie II - II der Fig. 1, wobei ein Teil der Sauerstoffträger-Einspritζanordnung weggeschnitten ist und

Fig. 3 eine Teilansicht, ebenfalls zum Teil in Seitenansicht und zum Teil in einem Längsschnitt, einer abgeänderten Ausführungsform eines zweistufigen Raketenmotors.

Die dargestellte AusfUhrungsform weist ein äusseres Rohr aus rostfreiem Stahl oder ähnlichem Material auf, welches einen Innenraum begrenzt, der axial in eine primäre Reaktionskammer 14 und eine sekundäre Reaktionskammer 16 unterteilt ist. Das Rohr 12 ist mit einem umfangseitigen Flansch 18 versehen, an welchem eine Raketendüse 20 befestigt ist, die ebenfalls aus rostfreiem Stahl oder einem ähnlichen Material besteht und die von bekannter Bauart sein kann.

Eine Leitung 22 führt von einem Vorrat flüssigen Hydrazins an eine mit mehreren Düsen ausgestattete Einspritzanordnung, die in der stromaufwärts gelegenen Wand 26 der primären Reaktionskammer angeordnet ist. In der dargestellten Ausführung erstreckt sich eine Anzahl von Leitungen von einem Vorrat an Sauerstoffträger, beispielsweise Stickstofftetroxid, zur primären Reaktionskammer 14 und axial durch dieselbe.

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Die primäre Reaktionskammer 14 wLrd durch eine perforierte Platte 28 in zwei Teile unterteilt. Der stromaufwärts gelegene Teil enthält feine Katalysatorteilchen und der stromabwärts gelegene Teil enthält gröbere Katalysatorteilchen. Die Reaktionskammer 14 ist mit einem stromabwärts gelegenen perforierten Band 32 ausgestattet. Innerhalb der Wand 32 ist ein Sieb 30 angeordnet, um die Katalysatorteilchen in der Kammer 14 zurückzuhalten. Die Wand 32 ist mit einer Anzahl von zentralen öffnungen 31 versehen, mit einer Anzahl von Zwischenöffnungen 33 und einer Anzahl von äusseren öffnungen 34. Die äusseren öffnungen 34 sind derart angeordnet, dass die Strömung aus ihnen in der Nachbarschaft der Innenfläche des Rohrs 12 austritt.

Die sekundäre Reaktionskammer 16 kann eine ringförmige Auskleidung, beispielsweise aus feuerfestem Material aufweisen, welche radial nach innen gegenüber dem äusseren Rohr 12 versetzt ist, um einen ringförmigen Raum zwischen der Auskleidung 36 und dem Rohr 12 zu bilden. In anderen Ausführungsformen die nicht dargestellt sind, kann diese Auskleidung weggelassen werden.

Eine ringförmige Sauerstoffträger-Einspritzanordnung 37 ist mittig innerhalb der sekundären Reaktionskammer angeordnet, und ist mit den Leitungen 24 verbunden, die zum Vorrat an flüssigen Sauerstoffträger führen. In den Fig. 1 und 2 sind die Auslassöffnungen 39 der Einspritzanordnung 37 derart angeordnet, dass sie radial nach aussen in eine ringförmige Zone münden, welche die Einspritzanordnung 37 umgibt, um in dieser Zone eine Vermischung mit den Hydrazin-Zersetzungsprodukten hervorzurufen. In einer AusfUhrungsform ohne Auskleidung würden die Auslassöffnungen 39 wesentlichen axial verlaufen.

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Beim Betrieb wird flüssiges Hydrazin in die primäre Reaktionskammer 14 abgegeben und dort zersetzt, wobei heisser, gasförmiger Stickstoff, Wasserstoff und Amonium entstehen, deren Temperatur etwa 872⁰ C (I6OO⁰ P) beträgt. Der Hauptteil dieser Gase tritt durch die öffnungen 31, 33 in der Wand 32. Bei einstufigem Betrieb strömt das gesamte zersetzte Hydrazin unmittelbar zur Düse 20. Wenn ein höherer Schub erforderlich ist, werden die aus den öffnungen 33 austretenden Gase mit dem Sauerstoffträger (beispielsweise Stickstoff, Tetroxid, NpOn) vermischt, welcher durch die Einspritzanordnung 37 zugeführt wird. Die sekundäre Reaktion zwischen den Hydrazingasen und den Säuerstoffträger liefert eine Erhöhung der Gastemperatur in der Brennkammer ab näherungsweise 2 76O. C (5OOO F) abhängig vom verwendeten Säuerstoffträger. Das zersetzte aber verhältnismässig kühle Hydrazin, welches beispielsweise eine Temperatur von 872⁰ C besitzt, fliesst durch die öffnungen 3²^ in der Wand 32 und in den Raum zwischen der Auskleidung 36 und dem Rohr 12 und isoliert das äussere Rohr und die Düse 20 von der hohen Temperatur in. der zentralen Zone.

Während des Betriebs übt der Druckabfall der Gase innerhalb der Kammer 14 eine Kraft aus, welche das Bestreben hat, die Wand 32 nach aussen zu verformen. Vorzugsweise sind die Leitungen 24 an ihren Enden verankert, so dass sie eine Halterung für die Wand 32 bilden. In der Ausführungsform gemäss der Fig.3 ist der grundsätzliche Aufbau der gleiche wie bei der AusfUhrungsform nach Fig. 1 . Jedoch wird der Säuerstofftrager durch eine Leitung 24a, die seitlich durch das äussere Rohr 12 und die Auskleidung 36 verläuft, in eine Einspritzanordnung 37 eingegeben, die mit Abstand stromabwärts der Wand 32 angeordnet ist und anschliessend von der Einspritzanordnung in die sekundäre Reaktionskammer.

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Bei vielen Raumfahrzeugen besteht die Forderung, dass der Antrieb nicht nur gleichförmig arbeitet sondern auch im Impulsbetrieb. Der abgegebene spezifische Impuls von üblichen Zweistoffantrieben ist im allgemeinen während des Impulsbetriebes niedrig, insbesondere bei kleinen Impulsgrössen. Bei " Anwendung des dualen Betriebs des zweistufigen Hydrazin-Raketenmotorkonzepts, kann die Schubanordnung während eines Impulsbetriebs als Einstoffantrieb verwendet werden und während eines gleichförmigen Betriebs als Zweistoffantrieb, wodurch bei beiden Betriebsarten ein verhältnismässig hoher spezifischer Impuls abgegeben wird. Das duale System ist beträchtlich leichter als übliche Zweistoff systeme, besonders bei einem Betrieb, welcher kleine Impulsgrössen während eines Impulsbetriebs erfordert.

Die erfindungsgemässe Vorrichtung weist folgende Hauptvorteile auf:

1. Das Anlaufverhalten und das Verbrennungsverhalten sind zwangsläufig weicher, als Folge des Umstands, dass nur eine ; Zerstäubung' und Verdampfung des Säuerst off trägers für die Verbrennung erforderlich ist. Dieses Merkmal beseitigt das Problem gefährlicher ZUndübergänge als Folge der Ansammlung von unverbrannten oder teilweise in Reaktion getretenen Brennstoffbestandteilen.

2. Die verhältnismässig kühlen Zersetzungsprodukte (mit etwa 872⁰ C) können wirksam zur Kühlung der Druckkammer und der Schubdüse verwendet werden.

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J5. Es besteht die Möglichkeit zum Betrieb entweder als Zweistoff- oder als Einstoffantrieb mit entsprechenden dualen Schubwerten. Diese Zweigleisigkeit bringt ferner eine Erhöhung der Zuverlässigkeit des Systems, da bei Auftreten eines Fehlers in der Zuführung des Sauerstoffträgers der Betrieb des Einstoffantriebs mit verringertem Schub und verringerten Gesamtimpulswerten aufrechterhalten werden kann. Bei Ventil-Modulation kann ein grosserer Drosselbereich mit grosserer Verlässlichkeit erhalten werden.

4. Als Folge der Einkammeranordnung und der Möglichkeit der Düsenkühlung sowie der verhältnismässig einfachen Einspritzanordnung ist zu erwarten, dass Raketenantriebe innerhalb eines weiten Schubbereichs zu niedrigen Preisen entwickelt werden können.

5. Eine Anpassungsfähigkeit des Systems kann durch Verwendung gemeinsamer Hydrazin-Treibmittelbehälter sowohl für den Hauptantrieb und für ein Höhensteuersystem erreicht werden. Dies ist vom Standpunkt der Systemplanung von Interesse, da bedeutende Abänderungen gegenüber einem normalen Auftrag möglich sind, indem die Sauerstoffträgeranschlüsse für das Höhensteuersystem und den Hauptantrieb verändert werden.

Während zwei AusfUhrungsformen der Erfindung dargestellt wurden, ist es offensichtlich, dass weitere Abänderungen möglich sind und diese werden im Rahmen der anschliessenden Ansprüche von der Erfindung mitumfasst.

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Claims

858 7. Mai 1971 Patentansprüche

1.) Gasgenerator) gekennzeichnet durch eine primäre Reaktions- -^ kammer, eine stromabwärts der primären Reaktionskammer angeordnete sekundäre Reaktionskammer, eine Einrichtung zur Zuführung eines primären Reaktionsmittels in die primäre Reaktionskammer, eine Einrichtung in der primären Reaktionskammer zur Reaktion des primären Reaktionsmittels zwecks Erzeugung einer verhältnismässig niedrigen Temperatur aber brennbarer Reaktionsprodukte, mit einer Einrichtung zur Einführung dieser Reaktionsprodukte in die se-' kundäre Reaktionskammer sowohl als Reaktionsmittel und als Kühlmittel für die Kammerwand, und mit einer Einrichtung zur Einführung eines zweiten Reaktionsmittels in die sekundäre Reaktionskammer in eine Zone, die seitlich im Inneren des Kühlmittels für die Kammerwand angeordnet ist, um die Reaktionsprodukte in dieser Zone zur Erzeugung einer Reaktion mit höherer Temperatur zur Reaktion zu bringen.

2. Gasgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionseinrichtung in der primären Reaktionskammer einen Katalysator aufweist, und das primäre Reaktionsmittel aus Hydrazin besteht.

Jt, Gasgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Reaktionsmittel ein Sauerstoffträger ist.

4. Gasgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die sekundäre Reaktionskammer eine ringförmige Auskleidung

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aufweist, welche die Reaktionszone höherer Temperatur vom Kühlmittel für die Kammerwand trennt.

5· Gasgenerator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Zufuhr der Reaktionsprodukte in die sekundäre Reaktionskammer aus einer durchlässigen Wand besteht, welche erste öffnungen aufweist, die zur Zone innerhalb der Auskleidung führen und zweite öffnungen zu der die Auskleidung umgebenden Zone führen.

6. Gasgenerator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung für die Zufuhr eines zweiten Reaktionsmittels aus einem ringförmigen innerhalb der zweiten Reaktionskamraer angeordneten Verteiler besteht und ferner die durchlässige Wand öffnungen aufweist, um Reaktionsprodukte durch den Verteiler zu leiten, sowie öffnungen, um Reaktionsprodukte in den Raum zu leiten, welcher den Verteiler umgibt, wobei der Verteiler Austrittsöffnungen aufweist .

7. Gasgenerator nach Anspruch 5* dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Zufuhr eines zweiten Reaktionsmittels aus einer Anzahl von Einlassleitungen besteht, die sich axial durch die primäre Reaktionskammer erstrecken.

8. Gasgenerator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassleitungen an ihren stromaufwärts gelegenen Enden mit einem stromaufwärts gelegenen Endabschnitt des Motors verbunden sind und an ihren stromabwärts gelegenen Enden mit der genannten Einrichtung zur Zufuhr der Reaktionsprodukte in die sekundäre Reaktionskammer, und dass die Einlassleitungen als Supportanordnung dienen.

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