專利名稱：帶外套、充排系統(tǒng)、冷卻裝置和掛架的模塊式固體燃料火箭推進(jìn)劑裝藥的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及模塊的固體燃料火箭推進(jìn)劑裝藥，包括不同的推進(jìn)劑組分和其他組分，例如燃料、氧化劑、提升能量的添加劑、膠合劑、添加劑、保護(hù)層、抑制劑等，它們?nèi)炕虿糠挚梢猿伤閴K，亦即不是以傳統(tǒng)的準(zhǔn)均勻混合物的形式而是以一個或多個具有任意恰當(dāng)形狀的宏觀燃料元件的形式存在，其中，全部或個別組分也可以由那些必須冷卻后才處于充分的固體狀態(tài)的物質(zhì)構(gòu)成。
因此本發(fā)明涉及火箭發(fā)動機(jī)及其固體燃料推進(jìn)劑裝藥的生產(chǎn)、結(jié)構(gòu)和可靠儲存等方面的技術(shù)領(lǐng)域。在本文中固體燃料推進(jìn)劑裝藥指的是以確定的幾何形狀存在的簡單或組合的推進(jìn)劑塊，包括可能的內(nèi)部配件或固定裝置，它們根據(jù)不同的原因安裝并大多通過燒損消耗。
按申請人1997年12月19日的專利申請DE 19756794 A1，這種類型的固體燃料火箭推進(jìn)劑裝藥的先有技術(shù)是，推進(jìn)劑裝藥至少部分成碎塊，也就是說，至少一種組分沒有與其他組分形成傳統(tǒng)的均勻混合物，而是具有任意適合的幾何形狀以一個或多個宏觀的燃料元件的形式存在。這些燃料元件通過恰當(dāng)?shù)慕缑姹Ｗo(hù)層互相化學(xué)隔離并與此同時在必要時可以互相機(jī)械連接。此外，通過特別選擇其成分，燃料元件可適用于作為具有不同功能的模塊，例如點火、推進(jìn)燃燒、發(fā)生氣體等。燃料元件尤其可有盤的形狀，盤的外表面與火箭發(fā)動機(jī)燃燒室的輪廓形狀相配，而內(nèi)部可有一個或多個具有恰當(dāng)形狀的橫截面積的孔，它們通過排列成行構(gòu)成一個或多個具有恒定或可變的橫截面積的燃燒通道；或，燃料元件可具有不同的可自由選擇的橫截面形狀地安置在總是另一種推進(jìn)劑組分構(gòu)成的母體內(nèi)，例如全部或部分埋入由燃料構(gòu)成的母體內(nèi)的富氧化劑元件。
傳統(tǒng)的亦即可儲存的固體推進(jìn)劑按先有技術(shù)是由推進(jìn)劑組分構(gòu)成所謂“三明治推進(jìn)劑”的層狀結(jié)構(gòu)，但這種結(jié)構(gòu)沒有帶來任何特別的優(yōu)點并因而沒有得到廣泛采用。
USAF Phillips Lab(Edwards)自1994年以來在一項“High-energydensity”計劃中研究用低溫的固體作推進(jìn)劑。1997年發(fā)表了與冷凍的作為固體組分的碳?xì)浠衔锘旌?亦即用液體和固體推進(jìn)劑組分的發(fā)動機(jī))方面的工作(見C.Larson,USAF-Phillips Lab,33rd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit,Washington StateConvention and Trade Center,Seattle,WA,July 6-9,1997,AIAA-96-3076)。
這種已知的先有技術(shù)存在的問題是，模塊的冷凍的固體燃料推進(jìn)劑裝藥需要不斷地冷卻，以便在正常恒溫處理的環(huán)境內(nèi)保持其物態(tài)。在冷卻系統(tǒng)發(fā)生故障時，這些推進(jìn)劑裝藥會熔融和蒸發(fā)，從而以不同方式成為會產(chǎn)生非常危險的情況的誘因。
本發(fā)明的目的是，按這樣的方式制備前言所述類型的模塊式固體燃料火箭推進(jìn)劑裝藥，即，將由于冷卻系統(tǒng)故障造成的危險狀況在增加運載火箭功率的同時十分有效地降低到最小程度。
此目的通過所述類型具有權(quán)利要求1特征部分所述特征的模塊式固體燃料火箭推進(jìn)劑裝藥達(dá)到。由從屬權(quán)利要求可知有利的設(shè)計。
根據(jù)在主權(quán)利要求中提及的特征與本發(fā)明在從屬權(quán)利要求中說明的有利的設(shè)計相組合，可以顯著改善在發(fā)生所指出的所有或若干問題時的狀況。按本發(fā)明的模塊式固體燃料火箭推進(jìn)劑裝藥允許燃料和氧化劑可從另一個托盤選出，并可單獨成形為燃料元件，它們組合成要求的推進(jìn)劑幾何形狀。為此所需的物態(tài)必要時通過適當(dāng)冷卻形成并保持。術(shù)語“碎塊狀推進(jìn)劑裝藥”(在這里的同義詞為“模塊的”、“分離的”或“分開的”推進(jìn)劑裝藥)尤其指主要組分(燃料和氧化劑)分開?！澳K的固體燃料火箭推進(jìn)劑裝藥”恰當(dāng)?shù)耐x詞是“多路內(nèi)部混合推進(jìn)(Multipler Interner Hybridantrieb)”。
采用本發(fā)明可獲得下列有利的效果-按本發(fā)明的推進(jìn)劑裝藥顯著簡化了固體燃料推進(jìn)劑裝藥的生產(chǎn)。許多危險的工序得以避免，可以大批生產(chǎn)。可望顯著地降低成本。這些優(yōu)點的確認(rèn)與由于冷凍的固體燃料引起的可能的麻煩無關(guān)。
-按本發(fā)明的推進(jìn)劑裝藥避免了傳統(tǒng)的推進(jìn)劑裝藥大的相界面。因此對于可熱儲存的推進(jìn)劑可望提高長期儲存能力，再者，燃料元件必要時可借助隔離膜彼此隔開。
-雖然冷凍的推進(jìn)劑不能儲存，但由于低的溫度使反應(yīng)小于熱儲存。在一定的情況下這就可以允許使用特殊的高能物質(zhì)，這些物質(zhì)可作為液體或氣體進(jìn)行反應(yīng)。
-按本發(fā)明的推進(jìn)劑裝藥允許實現(xiàn)任何一種推進(jìn)劑組合作為單一組分火箭燃料的固體燃料驅(qū)動。從可儲存或冷凍的液體單一組分火箭燃料和雙組分火箭燃料驅(qū)動經(jīng)由混合和準(zhǔn)混合式驅(qū)動、懸浮液(slurry)驅(qū)動和三元混合推進(jìn)劑直至所有的三組分火箭燃料。因此不僅與傳統(tǒng)的固體推進(jìn)劑相比，而且甚至與先有技術(shù)的液體驅(qū)動相比可望顯著提高Isp(對此可參見R.E.Lo,DFVLR-Stuttgart:"ChemischeWasserstoffaufheizung durch tribride Verbrennung",Chemie-Ingenieur-Technik(1967)39m Heft 15,5.923-927/R.E.Lo:TechnicalFeasibility of Chemical Propulsion Systems with very high Performance,Proceedings of the ⅩⅧth Astronautical Congress,Belgrad,25.-29.9,1967,PP.121-132/R.E.Lo,DFVLR-Lampoldshausen:"TheoretischeLeistungen des Raketentreibstoffsystems F2,O2/LiH,Al/H2undeinfacher Teilsysteme",DLR-Mitt.69-21(Dez.1969)/R.E.Lo,DFVLR-Lampoldshausen:"Chemische Wasserstoffaufheizung durchVerbrennung von Aluminium mit Sauerstoff oder FLOX",DLR-Mitt.70-03(Feb.1970)/R.E.Lo,DFVLR-lanpoldshausen:"QqccasihybrideRaketenantriebe",Raumfahrtforschung,Heft 4,April 1970)。
-按本發(fā)明的推進(jìn)劑裝藥允許通過適當(dāng)選擇推進(jìn)劑實現(xiàn)盡可能好地保護(hù)環(huán)境的固體推進(jìn)劑裝藥，例如固態(tài)氫/固態(tài)氧。
下面可借助附圖表示的多種實施例進(jìn)一步說明本發(fā)明。
其中

圖1 通過按本發(fā)明的空心圓柱形推進(jìn)劑裝藥的燃料元件的剖面；圖2 借助于抗拉構(gòu)件固定固體推進(jìn)劑；圖3 按本發(fā)明的推進(jìn)劑裝藥增強(qiáng)裝置的標(biāo)準(zhǔn)方案；
圖4 外套支承的另一種方案；圖5 借助于插塞式固定裝置固定抗拉構(gòu)件的方案；圖6 表示空心圓柱環(huán)的雙層壁外套和通過隔板構(gòu)成的冷卻用的管系；圖7 表示空心扇形段的雙層壁外套和通過隔板構(gòu)成的冷卻用的管系；圖8和9 單層壁外套和所安裝的冷卻盤管；以及圖10 外套的排流系統(tǒng)(充排系統(tǒng))。
按本發(fā)明的推進(jìn)劑裝藥所有的和/或個別模塊用一個在化學(xué)上與推進(jìn)劑相容的有足夠強(qiáng)度和化學(xué)相容性的外套圍繞。
圖1表示通過空心圓柱形推進(jìn)劑裝藥的燃料元件的剖面。外套1圍繞著推進(jìn)劑3。在此實施例中它們由圓柱和圓環(huán)形表面組成，這些表面在制造時例如互相粘結(jié)(在這里不再進(jìn)一步說明制造方法)。外套1懸伸的邊緣構(gòu)成燃料元件的支承2，它靠放在燃燒室壁6的支座12上并用螺釘固定在支座上(見圖4)。
按另一種與圖1所示不同當(dāng)然同樣好的實施例，此支承2處于模塊的下端處。通過置入安裝環(huán)11(見圖3)，在圓柱形模塊的兩端獲得支承。
在有外套的推進(jìn)劑裝藥點火時，點火火焰(例如由放在燃燒室頂端由自燃的固體推進(jìn)劑混合物構(gòu)成的模塊引發(fā)的)首先燒掉構(gòu)成燃燒通道8表面的外套1部分。此過程連續(xù)過渡到蒸發(fā)和點燃由氧化劑和燃料組成的交錯的模塊。顯然，外套1一方面應(yīng)盡可能薄，另一方面應(yīng)有必要的厚度。此外，外套1中涉及在燃燒通道8內(nèi)邊界層火焰的端面應(yīng)盡可能有與推進(jìn)劑3相同的燃燒速度，通過選擇材料可對燃燒速度有一些影響。推進(jìn)劑的幾何造型還需要一個內(nèi)部的熱防護(hù)層5，在這里燃燒室壁6的內(nèi)側(cè)不同長度地遇火焰(例如Konozylbrenner或Stirn brenner)。
裝配時應(yīng)區(qū)別分段和不分段的燃燒室。前者需要一個確定的排列次序。每一個模塊可在一定的前提條件下同時也構(gòu)成一個燃燒室分段。推進(jìn)劑、外套、掛架、隔熱層和燃燒室分段可一起準(zhǔn)備好。但通常顆粒(Korn)必須從下向上安裝。所說明的問題完全針對具體的例子。特殊的和其他任意的幾何造型在有高的充填度的同時由發(fā)動機(jī)所要求的推力-時間曲線決定。當(dāng)然所有的造型必須能與外套、隔熱層、掛架等相配在一起。
冰塊的脆性特別在受動負(fù)荷時會帶來問題。作為解決辦法可考慮采用加壓變質(zhì)的冰晶，它們的組合有很小的脆性(區(qū)別雪球與冰柱)。由冰構(gòu)成的雪塊確實可以承載(愛斯基摩人的圓頂冰屋原理)，而對于冷凍的推進(jìn)劑情況會有所不同。由于固定在燃燒室壁6上所以可以顯著降低對強(qiáng)度的要求。于是，在飛行加速度的條件下推進(jìn)劑塊不再需要支承在它上面的所有構(gòu)件，而只須自身穩(wěn)固。對于這種固體推進(jìn)劑，圖2表示了一種借助于拉緊絲4的固定方案，它的優(yōu)點是在外套材料上只添加少量的不同于推進(jìn)劑會改變推進(jìn)劑顆粒總組成的其他材料。圖3則不同，它表示了箱式增強(qiáng)裝置9的標(biāo)準(zhǔn)方案，雖然這種方案裝配比較簡單，但提供了其他一些外套材料的表面。
在選擇拉緊絲4的數(shù)量和排列結(jié)構(gòu)時應(yīng)當(dāng)考慮到，一旦燒損表面到達(dá)它們那里時將被燒損。裝配按這樣的方式進(jìn)行，即，首先將按恰當(dāng)?shù)姆绞?圖中未表示)固定在底板上的絲4與一插塞固定裝置13連接(見圖5)，后者緊密地安裝在外套1的外表面內(nèi)并借助于適當(dāng)?shù)脑煨头乐蛊滢D(zhuǎn)動。這些絲與此固定裝置一起在裝填和封閉推進(jìn)劑元件時埋入推進(jìn)劑3中。在燃料元件置入燃燒室內(nèi)(或其燃燒室壁段內(nèi))后，通過從外部緊密地置入的插塞螺釘14將整個燃料元件固定住。在這里不詳細(xì)說明密封及其他細(xì)節(jié)?？赡苄枰臒岱雷o(hù)層(見圖2中TSP 7)在這種情況下可事后再安裝。
可冷卻的外套可按圖3所示的另一種實施例制成雙層壁。在這種情況下各外表面被冷卻通道10穿過，每個推進(jìn)劑元件至少各有一個進(jìn)口和出口?？招膱A柱環(huán)(見圖6)或空心圓柱扇形段(見圖7)的壁可設(shè)一個或多個平行于外圓周布設(shè)的隔板，它們作為雙層壁之間的定距器并構(gòu)成通道10的內(nèi)邊界。冷卻劑的流動按字母順序進(jìn)行，在圖6中從a到g，在圖7中從a到p。
同樣可在簡單的外套壁上裝冷卻盤管(見圖8和9)。在這兩種情況下，內(nèi)部通道系統(tǒng)或管系(通流按圖8和9中的字母順序)與在外套外部的供入管連接，它們可通過燃燒通道和噴嘴或通過燃燒室壁引入。在這兩種情況下需要類似于用在液體火箭中的快速接頭。在通過壁進(jìn)入時，壁也必須相應(yīng)地耐壓。類似地這也適用于充排系統(tǒng)15的輸入管(見圖10)。但此系統(tǒng)的輸入和排出管只與外套容積中最高和/或最低的部分連接。圖10表示了一個排流系統(tǒng)，原始的充氣(例如氦)可通過它逸出，而液態(tài)的推進(jìn)劑通過同類進(jìn)口(圖中未表示)流入。
所表示的管子尺寸與所有圖中的其他各種細(xì)節(jié)一樣并沒有重要意義。通過冷卻系統(tǒng)散熱，在冷凍推進(jìn)劑時是取決于速度的步驟，通過燃燒通道的供熱管和它的外隔熱層緩慢熔化。因此，充排系統(tǒng)可使用小截面的管。這是有利的，因為在發(fā)動機(jī)工作時反正此整個系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)會一起燒損。在最簡單的情況下每個燃料元件需要一個自己的與充填系統(tǒng)的接頭，因為通常并非沒有困難地可以串聯(lián)(當(dāng)然燃料和氧化劑始終是分開的)。但在有的情況下可設(shè)想采取非常簡單的措施連續(xù)充填。例如，在這里所介紹的實施例中位置傾斜的那些空心圓柱環(huán)的各最高和最低點互相連接。因此充填系統(tǒng)終止在最上方的元件處，它在最高點的邊緣位置有一出口。
反之，在圖10中所表示的排流系統(tǒng)與唯一的一個出口連接和與所有燃料元件及與之分開的所有氧化劑元件的各一個接頭連接。在發(fā)動機(jī)處于垂直位置時系統(tǒng)正常工作，只是在燒損時用于排流以及在充填是必須與串聯(lián)的進(jìn)口保持連接。
在這里所描述的方法不應(yīng)排除這種可能性，即燃料元件模塊式地在特殊設(shè)備中逐個制成，然后在燃燒室內(nèi)組合成一個顆粒，或在分段的結(jié)構(gòu)方式中組合成燃燒室。若只允許采用這種組合方法，則所描述的管系當(dāng)然必須按恰當(dāng)?shù)姆绞酵ㄟ^連接互相組合起來。
所有的例子的共同點是，它們只是作為方案的舉例用于說明基本原理。
符號表1 外套2 支承3 推進(jìn)劑4 掛架/拉緊絲/抗拉構(gòu)件5 壁內(nèi)襯/熱防護(hù)層6 燃燒室壁7 TPS/熱防護(hù)系統(tǒng)8 燃燒通道9 增強(qiáng)裝置10 冷卻通道/管系11 裝配環(huán)12 支座13 插塞固定裝置14 插塞螺釘15 充排系統(tǒng)a-p 通流
權(quán)利要求
1．模塊的固體燃料火箭推進(jìn)劑裝藥，包括不同的推進(jìn)劑組分和其他組分，例如燃料、氧化劑、提升能量的添加劑、膠合劑、添加劑、保護(hù)層、抑制劑等，它們?nèi)炕虿糠挚梢猿伤閴K，亦即不是以傳統(tǒng)的準(zhǔn)均勻混合物的形式而是以一個或多個具有任意恰當(dāng)形狀的宏觀燃料元件的形式存在，其中，全部或個別組分也可以由那些必須冷卻后才處于充分的固體狀態(tài)的物質(zhì)構(gòu)成，其特征為模塊作為一個整體或它們的各個燃料元件設(shè)有特殊的外套(1)，它允許這種推進(jìn)劑裝藥進(jìn)行儲存和/或按規(guī)定工作，不會發(fā)生機(jī)械性能和物態(tài)受溫度影響的問題。
2．按照權(quán)利要求1所述的固體燃料火箭推進(jìn)劑裝藥，其特征為燃料元件的外套(1)配備有特別抗拉的構(gòu)件(4)或與之連接并因而同時用作該燃料元件在燃燒室內(nèi)部的機(jī)械支撐。
3．按照權(quán)利要求1所述的固體燃料火箭推進(jìn)劑裝藥，其特征為外套(1)配備有特別的管系(10)和/或與之連接，管系可流過適合的介質(zhì)，并允許燃料元件直至發(fā)動機(jī)點火前不久一直保持在期望的溫度范圍內(nèi)。
4．按照權(quán)利要求1所述的固體燃料火箭推進(jìn)劑裝藥，其特征為外套(1)內(nèi)部配備有特別的管系(10)和/或與之連接，必要時管系直至發(fā)動機(jī)點火前不久，尤其還在冷卻系統(tǒng)(通風(fēng)，充排系統(tǒng))沒有足夠的隔熱或發(fā)生故障時，允許液態(tài)或氣態(tài)的介質(zhì)流入或排出。
全文摘要
本發(fā)明涉及模塊的固體燃料火箭推進(jìn)劑裝藥,包括不同的推進(jìn)劑組分和其他組分,例如燃料、氧化劑、提升能量的添加劑、膠合劑、添加劑、保護(hù)層、抑制劑等,它們?nèi)炕虿糠挚梢猿伤閴K,亦即不是以傳統(tǒng)的準(zhǔn)均勻混合物的形式而是以一個或多個具有任意恰當(dāng)形狀的宏觀燃料元件的形式存在,其中,全部或個別組分也可以由那些必須冷卻后才處于充分的固體狀態(tài)的物質(zhì)構(gòu)成。本發(fā)明的目的在于,按這樣的方式制備前言所述類型的模塊式固體燃料火箭推進(jìn)劑裝藥,即,將由于冷卻系統(tǒng)故障造成的危險狀況在增加運載火箭功率的同時十分有效地降低到最小程度。為達(dá)到此目的,模塊作為一個整體或它們的各個燃料元件設(shè)有特殊的外套(1),它允許這種推進(jìn)劑裝藥進(jìn)行儲存和/或按規(guī)定工作,不會發(fā)生機(jī)械性能和物態(tài)受溫度影響的問題。
文檔編號F02K9/00GK1302353SQ99806509
公開日2001年7月4日 申請日期1999年5月18日 優(yōu)先權(quán)日1998年5月22日
發(fā)明者羅格·E·洛 申請人:羅格·E·洛