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DE4429860A1 - Injection system for hybrid rocket engines - Google Patents

Injection system for hybrid rocket engines

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Publication number
DE4429860A1
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DE
Germany
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injection system
combustion
solid
fuel
rocket engines
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Withdrawn
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DE19944429860
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German (de)
Inventor
Thomas Dr Stinnesbeck
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Individual
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Individual
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02KJET-PROPULSION PLANTS
    • F02K9/00Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof
    • F02K9/72Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof using liquid and solid propellants, i.e. hybrid rocket-engine plants
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02KJET-PROPULSION PLANTS
    • F02K9/00Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof
    • F02K9/42Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof using liquid or gaseous propellants
    • F02K9/44Feeding propellants
    • F02K9/52Injectors

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)

Abstract

The invention relates to an injection system for hybrid rocket engines which permits the use of medium sized hybrid rockets. The injection system consists of a single vertical feed pipe which is suspended in the interior of an internal burner and is provided with a multiplicity of holes (bores), as a result of which the oxidiser (oxidant, oxidising agent) is injected directly onto the surface of the solid-propellant unit. The more such holes that are provided, the better the mixing of the fuel and oxidiser and the more complete the combustion. For the purpose of protection against the high combustion temperatures, the vertical pipe is advantageously likewise coated with a solid whose gradual combustion is allowed for.

Description

Stand der TechnikState of the art

Nahezu alle heute im Einsatz befindlichen Raketen sind chemischer Natur. Chemische Raketentriebwerke erzeugen ihren Schub durch Verbrennung eines geeigneten Brennstoffes mit einem geeigneten Oxydator. Die hierbei freigesetzte Energie dient zur Beschleunigung der Verbrennungsprodukte entgegen der Flugrichtung, wodurch ein Vortrieb (Schub) erzeugt wird. Technisches Ziel ist die Maximierung der Gasaustrittsgeschwindigkeit. Limitierende Faktoren in der Leistungssteigerung eines chemischen Raketentriebwerkes sind besonders der Energieinhalt der Treibstoffe, das Molekulargewicht der Verbrennungsprodukte, die Effizienz der Verbrennung sowie einige technische Faktoren (z. B. Druck- und Temperaturbeständigkeit der Brennkammer). Chemische Raketentriebwerke lassen sich nach ihrer Bauart grob einteilen in Feststoff- und Flüssigkeitstriebwerke.Almost all rockets in use today are chemical in nature. Chemical Rocket engines generate their thrust by burning a suitable fuel a suitable oxidizer. The energy released here serves to accelerate the Combustion products against the direction of flight, creating propulsion (thrust). The technical goal is to maximize the gas outlet velocity. Limiting factors in The performance of a chemical rocket engine is particularly the energy content of fuels, the molecular weight of the combustion products, the efficiency of the combustion as well as some technical factors (e.g. pressure and temperature resistance of the combustion chamber). Chemical rocket engines can be roughly divided into solid and rocket Liquid engines.

Im Feststofftriebwerk sind Brennstoff und Sauerstoffträger innig miteinander vermengt. Feststofftriebwerke sind konstruktiv einfach gebaut, sind jedoch im Abbrennprozeß kaum regelbar und potentiell explosiv. Außerdem sind die erreichbaren Ausströmgeschwindigkeiten durch das hohe Molekulargewicht der Verbrennungsprodukte und den niedrigen Energiegehalt der Brennstoffe limitiert.In the solid fuel engine, fuel and oxygen carrier are intimately mixed. Solid-state engines are structurally simple, but are hardly used in the burning process adjustable and potentially explosive. In addition, the attainable outflow speeds are due to the high molecular weight of the combustion products and the low energy content of the Limited fuels.

Flüssigkeitstriebwerke tragen diese Limitierungen nicht. Hier liegen Oxydator und Brennstoff (z. B. H₂ und O₂) flüssig vor. Flüssigkeitstriebwerke sind jedoch konstruktiv komplex, speziell durch die erforderlichen Kühlmaßnahmen an der Brennkammer.Liquid engines do not have these limitations. This is where the oxidizer and fuel (e.g. H₂ and O₂) before liquid. However, liquid engines are structurally complex, especially through the necessary cooling measures on the combustion chamber.

Eine Zwischenstellung nehmen sog. Hybridraketen ein. Hier liegt die eine Komponente (meist der Brennstoff) fest, die andere flüssig vor.So-called hybrid rockets occupy an intermediate position. Here is the one component (usually the Fuel) solid, the other liquid before.

Feststofftank und Brennkammer sind bei Hybridraketen identisch. Der meist als Hohlzylinder ausgeführte Feststoff, in dessen Innerem die Verbrennung stattfindet (Innenbrenner), schützt gleichzeitig durch den noch nicht verbrannten Treibstoff die Brennkammer gegen Temperatur und Druck. Die flüssige Komponente (der Oxidator) wird zumeist über eine Art Brausekopf am oberen Abschluß der Brennkammer (und zusätzlich in einen evtl. vorhandenen Nachbrenner) eingespritzt. Als Brennstoff wird in der Literatur speziell Polyäthylen (evtl. in Vermischung mit Aluminiumpulver zur Leistungssteigerung) vorgeschlagen. PE verbrennt hochenergetisch und liefert leichte Verbrennungsprodukte.The solid fuel tank and combustion chamber are identical in hybrid rockets. Mostly as a hollow cylinder solid that is carried out, inside which the combustion takes place (internal burner), protects at the same time the combustion chamber against temperature and Print. The liquid component (the oxidizer) is usually over a kind of shower head on the top End of the combustion chamber (and additionally injected into an existing afterburner). Polyethylene (possibly mixed with Aluminum powder to increase performance) proposed. PE burns high energy and delivers light combustion products.

Das Hybridtriebwerk vereinigt somit die Vorzüge des Feststofftriebwerkes (einfache Konstruktion, preiswerte Brennstoffe) mit den Vorteilen des Flüssigkeitstriebwerkes (Regelbarkeit, hohe Leistungsfähigkeit). Ferner trägt es zur Sicherheit bei, da es nicht explodieren kann. Die Treibstoffblöcke sind ungefährlich zu handhaben und unbegrenzt lagerfähig. Nicht zuletzt aus diesen Gründen wird dem Hybridtriebwerk (als relativ später Entwicklung in der Raketentechnik) eine große Zukunft vorhergesagt. The hybrid engine thus combines the advantages of the solid engine (simple design, inexpensive fuels) with the advantages of the liquid engine (controllability, high Performance). It also contributes to safety as it cannot explode. The Fuel blocks are safe to use and can be stored indefinitely. Last but not least these reasons, the hybrid engine (as a relatively late development in rocket technology) predicted a great future.  

Kritik am Stand der TechnikCriticism of the state of the art

Hybridtriebwerke wurden bisher nur experimentell in kleinen und schubschwachen Triebwerken eingesetzt. Beim Einsatz in großen Triebwerken erweisen sich die Einspritzsysteme nach dem Stand der Technik als limitierende Faktoren der Triebwerkseffizienz, denn speziell im unteren Teil des Treibstoffblockes findet keine bzw. eine nur unzureichende Kontaktierung zwischen Brennstoff und Oxydator statt. Somit wird die Verbrennung uneffizient, das richtige Durchmischungsverhältnis der Komponenten zueinander kann nicht gewährleistet werden, Treibstoff verdampft unverbrannt etc. Es ist somit ein Einspritzsystem zu konstruieren, welches den Oxydator gleichmäßig über die Brennfläche verteilt.Hybrid engines have so far only been used experimentally in small and low-thrust engines used. When used in large engines, the injection systems have proven themselves after State of the art as limiting factors of engine efficiency, especially in the lower part there is no or insufficient contact between the fuel block Fuel and oxidizer instead. This makes combustion inefficient, the right thing Mixing ratio of the components to one another cannot be guaranteed Fuel evaporates unburned etc. It is therefore necessary to construct an injection system which spread the oxidizer evenly over the focal surface.

Erfindunginvention

Die Erfindung betrifft ein besonders einfach gestaltetes Einspritzsystem für Hybridraketentriebwerke, bei dem die flüssige Komponente (1) (meist der Oxydator in Form von flüssigem Sauerstoff) durch ein Fallrohr (2), welches in den Verbrennungsraum eines Innenbrenners (3) abgehangen ist, zugeführt wird. Dieses Fallrohr trägt eine Vielzahl von Bohrungen (4), durch die der Oxydator in den Brennraum austritt und auf den gegenüberliegenden Feststoff aufgespritzt wird. Je mehr solche Kanäle vorgesehen sind, desto gleichmäßiger erfolgt die Kontaktierung zwischen Oxydator und Brennstoff und desto effizienter wird damit die Verbrennung. Das Fallrohr selbst ist zum Schutz gegen die hohen Verbrennungstemperaturen ebenfalls mit Feststoff überzogen (3). Hierbei wird in Kauf genommen, daß dieser Überzug während des Verbrennungsprozesses verloren geht.The invention relates to a particularly simple injection system for hybrid rocket engines, in which the liquid component ( 1 ) (usually the oxidizer in the form of liquid oxygen) is fed through a downpipe ( 2 ) which is suspended in the combustion chamber of an internal burner ( 3 ) . This downpipe has a large number of bores ( 4 ) through which the oxidizer exits the combustion chamber and is sprayed onto the opposite solid. The more such channels are provided, the more uniform the contact between the oxidizer and the fuel and the more efficient the combustion. The downpipe itself is also coated with solid to protect against the high combustion temperatures ( 3 ). It is accepted that this coating is lost during the combustion process.

Der Zufluß des Oxydators zum Fallrohr wird sinnvollerweise durch ein Ventil geregelt.The inflow of the oxidizer to the downpipe is sensibly controlled by a valve.

In einer besonders einfachen Ausführung einer Hybridrakete könnte der druckgasbetriebene Oxydatortank der Brennkammer direkt aufsitzen. Im Ablauf des Zündvorganges wird der Zufluß zum Fallrohr über eine einfache Platzmembran freigegeben. Der Brennvorgang wäre dann allerdings nicht regelbar (er könnte lediglich durch Druckentlastung des Sauerstofftanks abgebrochen werden), ähnlich wie bei einem reinen FestofftriebwerkIn a particularly simple version of a hybrid rocket, the pressurized gas-powered one Mount the oxidizer tank of the combustion chamber directly. In the course of the ignition process, the inflow released to the downpipe via a simple space membrane. The burning process would then be however not controllable (it could only be done by depressurizing the oxygen tank be canceled), similar to a solid-state engine

Das o. g. Einspritzsystem eignet sich besonders für nicht zu hohe Brennkammern (da sonst der eingespritzte Oxydator die gegenüberliegende Festoffwand nicht mehr erreicht.The above Injection system is particularly suitable for combustion chambers that are not too high (otherwise the injected oxidizer no longer reaches the opposite solid wall.

Vorteilebenefits

Das oben beschriebene Einspritzsystem ermöglicht die konstruktiv einfache (und damit kostengünstige) technische Realisierung mittelgroßer Hybridraketen (z. B. Oberstufen, Apogäumsmotoren) mit deren oben ausführlich beschriebenen Vorteilen und ohne den Nachteil einer unvollständigen und damit uneffizienten Verbrennung des Treibstoffes.The injection system described above enables the structurally simple (and thus cost-effective) technical implementation of medium-sized hybrid rockets (e.g. upper stages, Apogee motors) with their advantages described in detail above and without the disadvantage incomplete and therefore inefficient combustion of the fuel.

Claims (1)

Einspritzsystem für Hybridraketentriebwerke, dadurch gekennzeichnet, daß die flüssige Komponente durch ein einzelnes Fallrohr, welches in den Verbrennungsraum eines Innenbrenners mittig abgehangen und mit einer Vielzahl kleiner Bohrungen versehen ist, direkt und über die gesamte Brennfläche auf den zu verbrennenden Feststoff aufgespritzt wird.Injection system for hybrid rocket engines, characterized in that the liquid component is sprayed directly and over the entire combustion surface onto the solid to be burned through a single downpipe which is suspended in the center of the combustion chamber of an internal burner and is provided with a large number of small bores.
DE19944429860 1994-08-23 1994-08-23 Injection system for hybrid rocket engines Withdrawn DE4429860A1 (en)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP0688947A1 (en) * 1994-06-24 1995-12-27 Thomas L. Dr. Stinnesbeck Injection system for hybrid rocket motor
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