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Dokumentenidentifikation DE19927735B4 06.10.2005
Titel Schubkammer-Anordnung für Raumfahrt-Triebwerke
Anmelder EADS Space Transportation GmbH, 28199 Bremen, DE
Erfinder Sowa, Armin, 85521 Ottobrunn, DE
DE-Anmeldedatum 17.06.1999
DE-Aktenzeichen 19927735
Offenlegungstag 28.12.2000
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 06.10.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 06.10.2005
IPC-Hauptklasse F02K 9/94
IPC-Nebenklasse F02K 1/82   B64G 1/40   F02K 9/64   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Schubkammer-Anordnung mit einer Expansionsdüse und einer Brennkammer-Wand , an der ein Einspritz-Kopf angebracht ist, wobei der dem Einspritz-Kopf naheliegende Teil der Brennkammer-Wand eine Aufbereitungskammer-Wand ausbildet, in der die zur Verbrennung zugeführten Brennmittel zunächst einen Kühlfilm ausbilden.

Eine Schubkammer-Anordnung der vorbezeichneten Bauart ist aus DE 197 30 674 A1 bekannt. Über einen Teilbereich erstreckt sich an der Aufbereitungskammer-Wand eine wärmeleitende Schicht zur Beeinflussung des Wärmeflusses in der Brennkammerwand. Über eine Wärmeableitung in Richtung Einspritz-Kopf wird in dieser Druckschrift nichts ausgesagt.

Aus der AIAA 96-3303, Popp, M., Schmidt, G.: „Rocket Engine Combustion Chamber Design Concepts for Enhanced Life" 32nd AIAA/ASME/ASEE Joint Propulsion Conference, July 1–3, 1996, Lake Buena Vista, Fl., USA., ist eine stationär betriebene Brennkammer mit einem regenerativen Kühlsystem mit separaten Kühlkanälen bekannt, bei der die Brennkammer-Innenwand aus einem gut wärmeleitenden Material, z. B. Kupfer, besteht, um die Wärme an die durch die Kanäle fließende Kühlflüssigkeit weiterzuleiten. Die dort offenbarte Anordnung unterstellt stationären Betrieb, d. h. stationäre Zufuhr von Brennmitteln und entsprechend kontinuierlichen Wärmefluss an die in den Kanälen fließende Kühlflüssigkeit. Die Kühlkanäle sind von einer Außenwand mit hoher Festigkeit umgeben. Der Außenmantel dient nicht der Wärmeleitung sondern der Aufnahme der aus dem Verbrennungsdruck kommenden strukturellen Belastung. Die Wärme wird bei der vorbekannten Anordnung durch die Kühlflüssigkeit abgeführt.

Raumfahrt-Triebwerke weisen einen Einspritzkopf auf, durch den der Treibstoff und der Oxydator in die Brennkammer einer Schubkammer-Anordnung eingespritzt werden. An der Innenwand der Gemisch-Aufbereitungskammer bildet sich ein Film aus Treibstoff und Oxydator aus der im Betrieb eine Dicke von ca. 0,5 m besitzt und eine Aufheizung der Aufbereitungskammer-Wand verhindert. In der Praxis erweist sich dieser Film als zeitweise nicht stabil, wodurch sich die Temperatur in Bereichen der Aufbereitungskammer-Wand erhöht und deren Festigkeit einschränkt, falls nicht geeignete Kühleinrichtungen wie z. B. Kühlkanäle vorgesehen sind.

Insbesondere beim gepulsten Betrieb, bei dem über die Zeit eine wesentlich geringere Menge an Brennmitteln, d. h. Treibstoff und Oxydator, in die Brennkammer eingespritzt werden als im stationären Betrieb, erweist sich dieser Film aus noch nicht verbrannten Brennmitteln als nicht stabil, da dieser marginale Kühlfilm durch den Wärmefluss von dem wesentlich heißeren engsten Düsenquerschnitt und dem relativ kälteren Brennkammerbereich zur Verdampfung gebracht wird.

Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Brennkammer so zu gestalten, dass die über den Einspritz-Kopf zugeführten Brennmittel an den Einspritzkopfnahen Bereichen der Brennkammer-Innenwand auch dann einen mit Sicherheit stabilen und homogenen Film ausbilden können, wenn die Brennmittel pulsweise zuführt werden.

Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die erfindungsgemäße Lösung hat den Vorteil, dass bereits vorhandene Schubkammer-Konstruktionen im wesentlichen bestehen bleiben können und mit baulich einfachen Modifikationen, nämlich dem Umgeben mit der wärmeleitenden Schicht, eine verbesserte Betriebsfestigkeit erreicht werden kann.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben; es zeigen:

1 einen Längsschnitt durch eine Anordnung aus einem Einspritzkopf und einer Schubkammer für ein Satellitentriebwerk,

2 eine Anordnung aus zwei redundanten Triebwerken mit Schubkammern und mehrere Anordnungen zur Nutzung der von in einer Schubkammer entstehenden Wärmeenergie.

Die in der 1 dargestellte Schubkammer-Anordnung 1 umfasst eine Brennkammer 2 mit einer Brennkammer-Wand 3, eine an diese anschließende Expansionsdüse 5 und einen an dem freien Ende der Brennkammer 3 angeordneten Einspritzkopf 7, der über einen Flansch 8 am Satelliten (nicht gezeigt) befestigt ist. Der Flansch 8 dient zur Aufnahme der Treibstoff-Absperrventile für die Schubkammer-Anordnung 1. Die Schubkammer-Anordnung 1 ist im wesentlichen rotationssymmetrisch mit einer Längsachse 10 ausgebildet.

Der Einspritzkopf 7 weist zumindest einen Zuführungskanal 11 für den Brennstoff und zumindest einen Zuführungskanal 12 für den Oxydator auf. Als Brennstoff wird üblicherweise unsymmetrisches Hydrazin (MMH) und als Oxydator beispielweise Stickstoff-Tetra-Oxyd (N2O4) verwendet. Die Zuführungskanäle 11, 12 enden in den Einspritzkopf 7 mit den zwei Teilen 13, 14.

In diesem Einspritzkopf 7 werden die Treibstoffe in Rotation versetzt und treffen kegelartig auf die Brennkammer-Wand 3 auf.

Die Brennkammer-Wand 3 weist in ihrem dem Einspritzkopf 7 nahegelegenen Teil eine Aufbereitungskammer-Wand 17 auf, deren Innenseite eine Gemisch-Aufbereitungskammer 19 umgrenzt. Das den Einspritz-Kopf 7 gegenüberliegende Ende 21 der Brennkammer-Wand 3 bildet auf ihrer Innenseite eine Verengung 22 aus, von wo aus die Schubkammer-Anordnung 1 in die Expansionsdüse 5 übergeht.

Die Aufbereitungskammer-Wand 17 ist üblicherweise aus Chrom-Nickel-Molybdän-Stählen gebildet, das bei Temperaturen zwischen 200 und 800° C mit Innendrücken von ca. 10 bar belastbar ist Die Chrom-Nickel-Molybdän-Stähle zeichnen sich durch sehr gute Wärmestandfestigkeit aus und unterliegen damit geringerem Verschleiß. Dagegen sind diese Stähle gegen Heißgas-Korrosion empfindlich.

Die Brennkammer-Wand 3 und das dieser zugewandte zylinderförmige Ende 27 des Einspritz-Kopfs 7 sind ihrem Übergangsbereich vorzugsweise überlappend ineinander geschoben, wobei das zylinderförmige Ende 27 des Einspritz-Kopfs 7 einen Teil der Brennkammer-Wand 3 umgibt. Mittels einer Schweißnaht 29 ist das zylinderförmige Ende 27 mit der entsprechenden Stelle 29a der Aufbereitungskammer-Wand 17 verbunden. Weiterhin ist die Brennkammer-Wand 3 in axialer Richtung gesehen aus zwei Teilen mit verschiedenen Materialien gebildet, so daß diese aus zwei Teilen zusammengesetzt ist, aus einer Aufbereitungskammer-Wand 17 und einem zweiten Teil 31 der Brennkammer-Wand 3. Die Aufbereitungskammer-Wand 17 ist mit dem zweiten Teil 31 an der Stelle 33 verschweißt.

Die Schubkammer-Anordnung 1 ist in einem Bereich der Außenseite der Brennkammer-Wand 3 mit einer wärmeleitenden Schicht 40 versehen. Diese wärmeleitende Schicht 40 erstrecht sich auch über einen Bereich der Außenseite des zylinderförmigen Endes 27 des Einspritz-Kopfs vorgesehen sein. Insbesondere kann die wärmeleitende Schicht 40 als zylindrischer Mantel ausgebildet sein, der einen Teil des zylinderförmigen Endes 27 und einen Teil der Brennkammer-Wand 3 umgibt. Die Außenseite des beschichteten Bereichs der Aufbereitungskammer-Wand 17 weist einen größeren Außendurchmesser auf, als der nichtbeschichtete Teil der Brennkammer-Wand 3.

Die wärmeleitende Schicht 40 ist im wesentlichen aus wärmeleitendem Material gebildet. Hierfür kommen Metalle, Metallegierungen und keramische Materialien in Frage. Vorzugsweise besteht die wärmeleitende Schicht aus Kupfer oder Beryllium oder Kupfer- oder Beryllium-Legierungen. Die wärmeleitende Schicht 40 kann auch aus Gold oder Silber gebildet sein. Die wärmeleitende Schicht 40 liegt vorzugsweise an zumindest Teilbereichen der Außenseite der Brennkammer-Wand 3 an.

Bereiche der Aufbereitungskammer-Wand 17 können mit Platin oder Gold beschichtet sein. Vorzugsweise ist die Beschichtung im Bereich zwischen dem zylinderförmigen Ende 27 und dem von diesem überlappten Ende der Aufbereitungskammer-Wand 17, in dem Bereich zwischen der Aufbereitungskammer-Wand 17 und dem Teil 14 des Einspritzkopfs 7 und zumindest einen Teil der Längsachse 10 zugewandten Innenseite der Aufbereitungskammer-Wand 17 vorgesehen. Die Platin- oder Goldbeschichtung 41 dient dazu, die Oxydation der Aufbereitungskammer-Wand 17 zu verhindern.

Durch die erfindungsgemäße wärmeleitende Schicht 40 wird eine passive Kühlung der Brennkammer-Wand 3 bzw. der Aufbereitungskammer-Wand 17 erreicht. Dadurch fließt Wärme, die am heißesten Bereich der Schubkammer-Anordnung 1, nämlich im Bereich der Verengung 22 entsteht, in den Umgebungsbereich der Schubkammer-Anordnung 1 und insbesondere zum Einspritzkopf und gibt einen Teil dieser Wärme an dem durch diesen durchfließenden Treibstoff ab. Eine Restwärme wird durch Strahlung in den Weltraum abgegeben. Dadurch verringert sich die Temperatur an der Innenseite der Aufbereitungskammer-Wand 17. Werden Brennmittel über die Zuführungskanäle 11, 12 in die Gemisch-Aufbereitungskammer 19 eingeführt, bewegen sich diese aufgrund der Ausrichtung der Zuführungskanäle 11, 12 und des Druckes, mit dem die Brennmittel zugeführt werden, drallartig an die Innenseite der Aufbereitungskammer-Wand 17 und bilden dort den Kühlfilm aus. Durch die wärmeleitende Schicht 40 können die Temperaturen im Bereich des Kühlfilms auch bei pulsierendem Betrieb des Triebwerks so niedrig gehalten werden, daß dieser nicht zeitweise verdampfen kann. Aufgrund dessen ist dieser Kühlfilm stabil. In Abhängigkeit des Materials, der für die Aufbereitungskammer-Wand 17 oder andere Teile der Brennkammer-Wand 3 sowie für den Einspritz-Kopf 7 verwendet werden, kann die Dicke der wärmeleitenden Schicht 40 und ihr Ort so gewählt werden, daß eine gewünschte Temperatur im Bereich des Kühlfilms besteht.

Vorzugsweise wird die wärmeleitende Schicht 40 galvanisch aufgetragen. Befindet sich die wärmeleitende Schicht 40 auf der Außenseite des zylinderförmigen Endes 27 des Einspritz-Kopfs 7 oder der Aufbereitungskammer-Wand 17 liegt die Schichtdicke vorzugsweise im Bereich zwischen 0,1 und 1,0 mm.

Die wärmeleitende Schicht 40 kann auch mittels einer Klemmverbindung zumindest an der Außenseite der Aufbereitungskammer-Wand 17, und zusätzlich auch an der Außenseite des zylinderförmigen Endes 27 des Einspritz-Kopfs 7 befestigt sein.

Auch ist es denkbar, daß durch Hinzufügen von Wärmeleit-Rohren oder Kupferleitungen die Wärme an anderer Stelle im Satelliten-System abgegeben wird und dadurch für gewünschte Heizleistungen verwendet wird. Eine Einsparung von Heizkreisen im Gesamtsystem des Satelliten ist dadurch möglich.

Eine Anordnung zur Nutzung von Wärmeenergie, die einer Schubkammer im Betrieb des Triebwerks entnommen wird, ist beispielhaft in der Anordnung der 2 dargestellt, wobei Bestandteile des in der 1 gezeigten Gegenstands, die nach Art und Funktion Bestandteilen des in der 2 gezeigten Gegenstands entsprechen, sind in der 2 mit demselben Bezugszeichen bezeichnet wie in 1.

2 zeigt ein erstes Triebwerk 51 und ein zweites Triebwerk 52. Diese können zwei redundante Triebwerke aus einem Triebwerkssystem mit beispielsweise 16 Triebwerken darstellen, wobei während eines nomalen Betriebszustands normalerweise das erste Triebwerk 51 aktiv und das zweite Triebwerk 52 passiv ist. Das in der 2 gezeigte erste 51 und zweite 52 Triebwerk ist dort schematisch mit zwei Treibstoffabsperrventilen 54, 55 bzw. 56, 57 gezeigt, die jeweils über einen Ventilkörper 58, 59 mit jeweils einer Schubkammer 1 mechanisch und funktionell verbunden sind. In jedem Ventilkörper 58 bzw. 59 befinden sich die Zuführungsleitungen (nicht gezeigt) zum Einspritzkopf 7, der über den Flansch 8 am Satelliten befestigt ist. An dem Flansch 8 schließt sich, wie in der 1 auch gezeigt, die Schubkammer 1 an. Um zumindest einen Teil des zylinderförmigen Endes 27 des Einspritzkopfs 7 und zumindest einen Teil der Aufbereitungskammerwand 17 herum ist die wärmeleitende Schicht 40 angeordnet.

Bei der Anordnung nach der 2 ist an einer Stelle der wärmeleitenden Schicht 40 eine erste Wärmeleitung 61a und eine zweite Wärmeleitung 61b angebracht. Zur Anbringung der Wärmeleitung 61a bzw. 61b an der wärmeleitenden Schicht 40 ist eine Verbindung nach dem Stand der Technik vorgesehen, beispielsweise eine Klemmverbindung oder Klemmschelle 62. Diese Verbindung könnte jedoch auch galvanisch in der wärmeleitenden Schicht 40 integriert sein. Für diesen Fall könnte an der wärmeleitenden Schicht 40 eine entsprechende Nase vorgesehen sein, an der ein Ende der Wärmeleitung 61a bzw. 61b angebracht sein kann. Die Wärmeleitungen 61a bzw. 61b verbinden die wärmeleitende Schicht 40 des ersten Triebwerks 51 mit der Außenseite eines Verbrauchers oder einer Satelliten-Komponente 63 mit einem Heizelement bzw. mit der wärmeleitenden Schicht 40 des zweiten Triebwerks 52. Der Anschluß von einem Verbraucher 63 und einer weiteren wärmeleitenden Schicht 40 über Wärmeleitungen 61a, 61b ist nur beispielhaft. Es können mit einer wärmeleitenden Schicht 40 auch mehrere andere wärmeleitenden Schichten 40 und/oder mehrere Verbraucher 63 wärmeleitend verbunden sein. Der Verbraucher 63 nach der 2 weist einen Heizkreis 64 zur Erwärmung technischer Geräte oder Bauteile im Raumfahrzeug auf. Zur Befestigung der ersten Wärmeleitung 61a an dem Verbraucher 63 und zum Übertragen der in der Wärmeleitung 61a strömenden Wärmeenergie zum Verbraucher 63 ist an diesem eine Befestigungsstelle oder Wärmeübertragungsfläche 65 vorgesehen. Dies kann eine Klemme oder Schraubverbindung sein.

Im Betrieb beispielsweise des ersten Triebwerks 51 tritt in der wärmeleitenden Schicht 40 normalerweise eine Temperatur im Bereich zwischen 100 und 300° C auf. Das zweite Triebwerk 52 ist in der Anordnung nach der 2 ein redundantes Triebwerk, das passiv ist, solange das erste Triebwerk 51 arbeitet. Im Falle eines Fehlers eines ersten Triebwerks 51 wird aufgrund entsprechender Steuersignale das zweite Triebwerk 52 aktiviert. Es muß sichergestellt sein, daß im Falle eines Umschaltens das zweite Triebwerk 52 sofort arbeiten kann. Dies setzt voraus, daß vor dem Starten des zweiten Triebwerks dessen Flüssigkeitsbereich vorzugsweise zwischen 0 und 40° C liegt. Dieser Temperaturbereich wird mittels weiterer Heizkreise erreicht, die an entsprechenden Stellen der Triebwerke 51, 52 angeordnet sind.

Erfindungsgemäß kann die in einer Schubkammer 1 eines aktiven Triebwerks 51 freiwerdende und sich in einer ersten wärmeleitenden Schicht 40 sammelnde Wärmeenergie mittels einer Wärmeleitung 61a zu einem Verbraucher 63 und/oder mittels einer Wärmeleitung 61b direkt auf eine zweite wärmeleitende Schicht 40 eines zweiten Triebwerks 52 geleitet werden. Die zum Verbraucher 63 gelangte Wärmemenge kann dazu dienen, ein im Verbraucher 63 befindliches Gerät oder auch einen Bereich eines Triebwerks 51 bzw. 52 in der Umgebung des Verbrauchers 63 zu erwärmen. Die mittels der Leitung 61b auf eine zweite wärmeleitende Schicht 40 eines weiteren Triebwerks 52 übertragene Wärmemenge erwärmt diese aufgrund der in der ersten wärmeleitenden Schicht 40 freiwerdenden Wärmemenge. Aufgrund der Wärmeabstrahlung im Weltraum können Triebwerksteile eine Temperatur bis zu –40°C annehmen, falls diese nicht vorgewärmt wird. Da diese Temperatur für den Betrieb vieler Geräte nicht zulässig ist, dient der erfindungsgemäße Gegenstand der Sicherstellung der Betriebsbereitschaft des Triebwerks.

Der Vorteil der Nutzung der in der Schubkammer 1 eines aktiven Triebwerks 51 bzw. 52 freiwerdenden Wärmeenergie ist, daß passive Triebwerke mittels eines Verbrauchers 63 oder durch direkten Anschluß an die erfindungsgemäße wärmeleitende Schicht 40 ohne zusätzlichem oder mit nur geringem zusätzlichen Energieaufwand vorgewärmt werden können. Bei Umschaltvorgängen stehen diese mit großer Sicherheit zur Verfügung. Zum Vorwärmen solcher Triebwerke nach der erfindungsgemäßen Anordnung nach der 2 wird keine oder nur relativ geringe Energie aus dem Thermalkontrollsystem des Satelliten bennötigt.

Generell kann die Verwendung von Wärmeenergie, die aus einer wärmeleitenden Schicht 40 abgeführt wird, auch für andere Verbraucher des Satelliten verwendet werden, z.B. für dessen Treibstoffleitungen.


Anspruch[de]
  1. Schubkammer-Anordnung (1) mit einer Expansionsdüse (5) und einer Brennkammer-Wand (3), an der ein Einspritz-Kopf (7) angebracht ist, wobei der dem Einspritz-Kopf (7) naheliegende Teil der Brennkammer-Wand (3) eine Aufbereitungskammer-Wand (17) ausbildet, in der die zur Verbrennung zugeführten Brennmittel zunächst einen Kühlfilm ausbilden, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Bereich an der Außenseite der Aufbereitungskammer-Wand (17) eine wärmeleitende Schicht (40) vorgesehen ist, die sich auch zum Teil über einen Bereich der Außenseite eines zylinderförmigen Endes (27) des Einspritzkopfes (7) erstreckt, welches in die Aufbereitungskammer-Wand (17) übergeht.
  2. Schubkammer-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wärmeleitende Schicht (40) aus Metall gebildet ist.
  3. Schubkammer-Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wärmeleitende Schicht (40) aus Kupfer gebildet ist.
  4. Schubkammer-Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die wärmeleitende Schicht (40) galvanisch aufgetragen ist.
  5. Schubkammer-Anordnung nach dem Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die wärmeleitende Schicht (40) eine Dicke zwischen 0,1 und 1,0 mm aufweist.
  6. Schubkammer-Anordnung nach dem Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeleitende Schicht (40) aus Beryllium oder einer Beryllium-Legierung gebildet ist.
  7. Schubkammer-Anordnung nach dem Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeleitende Schicht (40) aus einem keramischen Werkstoff gebildet ist.
  8. Schubkammer-Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeleitende Schicht (40) mittels einer Klemmverbindung der Außenseite an der Aufbereitungskammer-Wand (17) befestigt ist.
  9. Schubkammer-Anordnung nach dem Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeleitende Schicht (40) zusätzlich an einem Bereich der Außenseite des zylinderförmigen Endes (27) des Einspritz-Kopfs (7) befestigt ist.
  10. Schubkammer-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schutzschicht gegen Oxidation vorgesehen ist, die sich zumindest über einen Teil der Innenseite der Aufbereitungskammer-Wand (17), über die zwischen der Aufbereitungskammer-Wand (17) und dem Einspritzkopf (7) gelegene Stirnseite der Aufbereitungskammer-Wand (17) und zumindest einen Teil der Außenseite der Aufbereitungskammer-Wand (17) erstreckt.
  11. Schubkammer-Anordnung nach dem Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht aus Platin oder Gold gebildet ist.
  12. Schubkammer-Anordnung nach dem Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht galvanisch aufgetragen ist.
  13. Schubkammer-Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die an der wärmeleitenden Schicht (40) freiwerdende Wärme durch Wärmeleitelemente (61a, 61b, 62) an andere Bereiche (40, 63) im Satelliten-System geleitet wird, um diese vorzuwärmen.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






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