Die Erfindung betrifft einen Injektor für ein Raketentriebwerk.

Die Schubregelung von Raketentriebwerken stellt aufgrund der Nichtlinearität und der Kopplung von strömungsmechanischen und thermodynamischen Vorgängen bei Einspritzung und Verbrennung einen komplexen Prozess dar. Zur optimalen Schubregelung im Triebwerk müssen vier Parameter kontrolliert werden: Massenstrom des Brennstoffes, Massenstrom des Oxidators, Einspritzgeschwindigkeit des Brennstoffes und Einspritzgeschwindigkeit des Oxidators. Während der Gesamtmassenstrom zur Schubregelung variiert werden muss, müssen sowohl das Mischverhältnis als auch die Einspritzgeschwindigkeiten für eine optimale Leistung möglichst konstant gehalten werden. Dieses Problem wird zusätzlich dadurch erschwert, dass alle vier Parameter über den Druck der Brennkammer gekoppelt sind. Dies führt mitunter zu Rückkopplungen und Schwingungen, welche die Regelung erschweren und im schlimmsten Fall zur Zerstörung des Triebwerks führen können.

Die Massenstromregelung findet bei den meisten bestehenden Systemen über zwei separate Regelventile statt. Diese drosseln die Massenströme auf den gewünschten Wert. Bei konstanter Einspritzgeometrie bedeutet dies deine Änderung der Einspritzgeschwindigkeiten. Derartige Systeme sind im Regelbereich beschränkt und akzeptieren den dadurch auftretenden Leistungsverlust. Die Regelventile arbeiten meist nach dem Drosselprinzip; die Durchflussmenge hängt also vom Druckunterschied ab. Es sind auch Systeme bekannt, die teilweise auf das Kavitationsprinzip zurückgreifen; diese sind daher teilweise druckentkoppelt. Die Regelventile sind im Stand der Technik jeweils als separate Bauteile ausgeführt.

Ein Ansatz zur kontinuierlichen Regelung der Einspritzgeschwindigkeit stellt der “Variable Area Injector” dar. Hierbei wird die Größe der Einspritzöffnungen kontinuierlich verändert. Dieser Ansatz beschränkt sich bei bisherigen Designs auf Injektoren mit Einzelelementen (insbesondere Pintle Injektoren, gelegentlich kontinuierliche Impingement Injektoren). Hierbei wird die Querschnittsänderung meist durch das axiale Verschieben zweier konzentrischer Kegelflächen erreicht. Das Konzept findet z.B. Anwendung beim Merlin Triebwerk von SpaceX oder der LMDE Engine des Apollo-Programms (Lunar Module Descent Engine). Bei variablen Pintle Injektoren werden aufgrund von vorhandenen Proportionalitäten beide Einspritzöffnungen über einen einzelnen Stellparameter adjustiert und sind damit nicht mehr unabhängig. Zusätzlich kann bei diesem Verfahren die Injektorgeometrie als Absperrventil (Face Shutoff) genutzt werden. Dies erfolgt meist durch metallische Dichtflächen.

Aus der US 4,782,660 ist ein Injektor bekannt, bei dem für den Oxidator und den Treibstoff gekoppelte Engstellen für die Drosselung der Fluide und damit gekoppelte Einspritzöffnungen vorhanden sind. Die Drosselstellen werden nicht im Kaviationsbereich betrieben, so dass der Massenstrom vom Brennkammerdruck abhängt. Änderungen des Brennkammerdrucks haben daher eine unerwünschte Rückwirkung auf den Massenstrom.

Aus der CN 114562389 ist ein Injektor bekannt, der nicht regelbar ist. Die Einspritzung erfolgt hier direkt aus einem Rückgewinnungsdiffusor.

Aus der US 2021/363939 A1 ist ein Injektor bekannt, der zwei nicht fest miteinander gekoppelte Schieber aufweist, mit denen die Zufuhr von Oxidator und Treibstoff beim Start des Triebwerks gesteuert wird. Eine Schubregelung ist mit der offenbarten Konstruktion nicht möglich. Außerdem wird eine Geometrie verwendet, die für einen Kavitationsbetrieb nicht geeignet ist.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Injektor für ein Raketentriebwerk zu schaffen, der einen einfachen Aufbau hat und über nahezu seinen gesamten Betriebsbereich zuverlässig geregelt werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß ein Injektor für ein Raketentriebwerk vorgesehen, mit einem Grundkörper, in dem eine Treibstoff- Zuführung und eine Oxidator-Zuführung vorgesehen sind, und einem Stellelement, das im Zusammenwirken mit dem Grundkörper sowohl eine Drosselstelle in der Treibstoff-Zuführung als auch eine Drosselstelle in der Oxidator-Zuführung definiert, wobei das Stellelement relativ zum Grundkörper verstellbar ist und wobei die Drosselstellen so ausgeführt sind, dass im Betrieb der engste Querschnitt der Drosselstellen vom Treibstoff und vom Oxidator jeweils mit Schallgeschwindigkeit durchströmt werden.

Die Grundidee des erfindungsgemäßen Injektors basiert auf dem Prinzip des „Variable Area Injektors“, der im sogenannten „Choked Flow“ betrieben wird, also in einem Zustand, in dem die Strömung im engsten Querschnitt der Drosselstelle Schallgeschwindigkeit hat. Dieses Prinzip kann sowohl für druckverflüssigte Fluide als auch für normale Fluide verwendet werden.

Lässt man kompressible Fluide (Gase, Gas-Flüssigkeits-Zweiphasen- gemische) durch eine Öffnung strömen und erhöht die Druckdifferenz durch Absenken des Hinterdruckes (also des Drucks hinter dem betrachteten Querschnitt), so steigt die Strömungsgeschwindigkeit und damit der Massenstrom immer weiter an, bis das Fluid die Schallgeschwindigkeit erreicht (kritisches Druckverhältnis). Eine weitere Erhöhung der Geschwindigkeit im engsten Strömungsquerschnitt ist durch weitere Absenkung des Hinterdruckes nicht möglich. Die ausströmende Gasmenge ist nur noch vom engsten Strömungsquerschnitt, dem Vordruck und den thermodynamischen Eigenschaften des Gases vor der Düse abhängig. Sofern das kritische Druckverhältnis nicht unterschritten wird, werden die Massenströme nicht vom Hinterdruck beeinflusst. Dieser Zustand nennt sich “Choked Flow”. Ein hypothetischer Injektor mit dieser Form der Einspritzung würde keine Kopplung der Massenströme mit dem Brennkammerdruck aufweisen. Damit stehen die Massenströme nicht mehr im Zusammenhang mit dem Zustand in der Brennkammer und sind aus regelungstechnischer Sicht vollkommen entkoppelt.

Grundsätzlich ist ein Betrieb mit Choked Flow auch für gasförmige Treibstoffe denkbar. Aufgrund ihrer geringen Dichte sind gasförmige Treibstoffe für Raketentriebwerke jedoch nicht zielführend. Außerdem erschwert die schallschnelle Injektion die stabile Verbrennung. Flüssige Treibstoffe sind dagegen sehr viel besser geeignet, da sie die Nachteile von gasförmigen Treibstoffen nicht aufweisen. Während sich bei normalen Unterschall-schnellen Strömungen Druck und Geschwindigkeit ortsbezogen nicht schlagartig ändern können, ist dies bei Strömungen im Bereich der Schallgeschwindigkeit und darüber möglich (vergleiche Verdichtungs-A/erdünnungsstoß). Flüssigkeiten können jedoch durch ausreichendes Absenken des Druckes zum Verdampfen gebracht werden. Der Verdampfungsdruck hängt von Zustand und Art des Fluides ab und geschieht bei Absenkung des Druckes nahezu instantan. Der Gasanteil nimmt durch weiteres Absenken des Druckes immer weiter zu, die Strömungsgeschwindigkeit ebenso. Zweiphasen-Gemische aus Gas und Flüssigkeit haben eine deutlich geringere Schallgeschwindigkeit als die entsprechende Einphasenströmungen, wodurch bei ausreichender Absenkung des Druckes der “Choked Flow” ebenso erzielt werden kann. Analog zum „Choked Flow“ bei einphasigen Strömungen spricht man hier von “Two Phase Choked Flow”. Der resultierende Massenstrom ist, identisch zum reinen Gas, vom Druck nach der Öffnung entkoppelt. Der Einfluss des Vordruckes ist deutlich geringer als bei einem rein gasförmigem Medium. Dieser Effekt ist besonders zweckdienlich für Injektoren für Raketentriebwerke.

Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Injektors besteht darin, dass er besonders einfach geregelt werden kann. Betrachtet man die vier Regelparameter Gesamtmassenstrom, Mischungsverhältnis, Treibstoffeinspritzgeschwindigkeit und Oxidatoreinspritzgeschwindigkeit, wird im Betrieb einzig der Gesamtmassenstrom variiert, während die restlichen Parameter durch konstruktive Vorgaben fixiert sind. Wenn der Injektor so betrieben wird, dass beim „Two Phase Choked Flow“ im engsten Querschnitt Kavitation auftritt, und die Eingangsbedingungen konstant gehalten werden, sind alle Parameter in erster Näherung nur lineare Funktionen der Geometrie, insbesondere der Strömungsquerschnitte. Es gibt zwar gewisse Nichtlinearitäten durch Reibungseffekte und Verwirbelungseffekte; diese haben jedoch nur geringe Auswirkungen.

Die Auslegung der erfindungsgemäßen Injektoren, die aufgrund ihres Designs im Kavitationszustand betrieben werden können, stellt einen wesentlichen Unterschied zum Stand der Technik dar.

Der Begriff „Raketentriebwerk“ ist hier nicht beschränkt auf einen Antrieb für eine eigentliche Rakete, also für den Zweck, das Schwerefeld der Erde zu verlassen. Er bezieht sich auf jeden Antrieb, der durch den Ausstoß auf Verbrennungsgasen auch im Vakuum arbeitet, beispielsweise zum Zwecke der Lageregelung von Satelliten. Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Drosselstelle mit der Einspritzöffnung zusammenfällt. Dies ist dann vorteilhaft, wenn der Dampfdruck der als Treibstoff und Oxidator verwendeten Flüssigkeiten über dem Brennkammerdruck liegt. Beispiele für solche Flüssigkeiten sind Lachgas, Ethan, Propan, Propylen oder Ethylen.

Die Fluide werden direkt aus dem engsten Querschnitt mit ihrer kritischen Schallgeschwindigkeit eingespritzt. Da diese aufgrund der Eigenschaften von Zweiphasenströmungen deutlich kleiner als die des reinen Gases ausfällt, ergibt sich eine stabile Verbrennung.

Prinzipiell ist es denkbar, zur Geschwindigkeitsreduktion gesonderte Einspritzöffnungen vorzusehen. Die Geschwindigkeiten wären aufgrund der Kompressibilität des Gasanteiles jedoch wieder brennkammerdruckabhängig, so dass vorzugsweise auf gesonderte Einspritzöffnungen verzichtet wird.

Vorzugsweise ist das Stellelement oder der Grundkörper im Bereich der Drosselstellen geschlitzt ausgeführt, wobei die Position des Stellelements relativ zum Grundkörper den Strömungsquerschnitt an den Drosselstellen bestimmt. Durch die Überdeckung der Schlitze in dem Stellelement bzw. dem Grundkörper mit der Struktur des Grundkörpers bzw. des Stellelements kann der Strömungsquerschnitt insgesamt sehr präzise eingestellt werden.

Gemäß einer Ausgestaltung ist dabei vorgesehen, dass das Stellelement an seinem einspritzseitigen Ende als Hohlzylinder ausgeführt ist, der auf der Seite der Treibstoff-Zuführung und auf der Seite der Oxidator-Zuführung mit paarweise angeordneten Schlitzen versehen ist. Hierdurch ergeben sich vorteilhafte geometrische Verhältnisse,

Der Hohlzylinder kann im brennkammerseitigen Ende des Grundkörpers geführt sein, vorzugsweise mittels einer Dichtung. Dies gewährleistet, dass die Strömungsquerschnitte sehr präzise aufrechterhalten. Insbesondere ist gewährleistet, dass das Mischungsverhältnis von Treibstoff zu Oxidator immer konstant ist und nicht durch radiale Lagetoleranzen variiert.

Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Stellelement mit Dichtungen versehen ist, die in axialer Richtung mit einer Anlagefläche im Grundkörper so Zusammenwirken können, dass die Treibstoff-Zuführung und die Oxidator-Zuführung abgesperrt sind. Die axiale Dichtwirkung kann zum zuverlässigen Absperren der Treibstoff- und der Oxidator-Zuführung verwendet werden, so dass beim Abschalten des Triebwerks kein Treibstoff und kein Oxidator verschwendet werden und beim Neustart unmittelbar ein stabiler Einspritzzustand erhalten wird, da der Injektor bereits mit Treibstoff und Oxidator gefüllt ist.

Gemäß einer Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass stromabwärts der Drosselstelle ein Druckrückgewinnungs-Abschnitt in der Zuführung des Treibstoffs und/oder des Oxidators vorgesehen ist und stromabwärts des Druckrückgewinnungs-Abschnittes die Einspritzöffnung angeordnet ist. Diese Ausführungsvariante wird verwendet für Flüssigkeiten, deren Dampfdruck unterhalb des Brennkammerdruckes liegt (z.B. flüssiger Sauerstoff, Wasserstoffperoxid, Methan, flüssiger Wasserstoff, Ethanol etc.). Hierbei muss der “Choked Flow” in einem Kavitations-Venturi erzeugt werden. Hierbei wird, ähnlich einem Venturirohr, die Flüssigkeit durch Verengen des Querschnittes beschleunigt. Dabei sinkt der Druck unterhalb des Dampfdruckes ab. Kavitation und der Choked Flow stellen sich im engsten Querschnitt ein. Anschließend strömt das Fluid durch den Druckrückgewinnungs-Abschnitt, in dem sich der Strömungsquerschnitt kontinuierlich vergrößert. Dadurch wird das Fluid wieder abgebremst, und der Druck steigt zurück auf Brennkammerniveau. Schließlich wird das Fluid mittels separater Einspritzöffnungen in die Brennkammer eingespritzt. Die Kavitations-Venturis und die Einspritzöffnungen für Oxidator und Treibstoff sind geometrisch miteinander gekoppelt und können allesamt mit einem einzelnen Stellparameter variiert werden.

Auch bei dieser Ausführungsvariante kann die Einspritzgeschwindigkeit aufgrund der Inkompressibilität des Fluids und des stromaufwärts vorgesehenen Kavitations-Venturis alleinig durch die Größe der Einspritzöffnung kontrolliert werden. Der sich hierdurch einstellende Druck- und Geschwindigkeitsverlauf ist nicht stetig mit den Verläufen vor dem Venturi.

Der Injektor kann als Nadel-Injektor („Pintle Injector“) ausgeführt sein, so dass durch die Geometrie der Düsennadel die Art und Weise der Mischung von Treibstoff und Oxidator beeinflusst werden kann. Die Drücke im Treibstoff- und Oxidatorsystem üben Kräfte auf das Stellelement aus. Diese Kräfte können durch adäquate Dimensionierung der effektiven Querschnitte in axialer Richtung ausgeglichen werden. Die Injektorfläche ist dem Brennkammerdruck ausgesetzt und kann aufgrund des variablen Brennkammerdrucks nicht durch den Druck im Fluidsystem kompensiert werden. Der Brennkammerdruck hängt jedoch nahezu linear mit der Position des Stellelements zusammen. Zur Kompensation der Druckkräfte kommt daher eine lineare Druckfeder zu Einsatz, die bei Öffnung des Stellelements komprimiert wird und eine direkt proportionale Gegenkraft zum Brennkammerdruck auf das Stellelement aufbringt. Der Aktor ist dadurch in erster Näherung kräftefrei und muss ausschließlich Abweichungen vom Idealzustand und Reibung in den Dichtstellen überwinden.

Die oben genannte Aufgabe wird auch gelöst durch einen Injektor der vorstehend erläuterten Art in Kombination mit einer Brennkammer. Hinsichtlich der sich ergebenden Vorteile wird auf die obigen Erläuterungen verwiesen.

Ein Teil des in die Brennkammer eingespritzten Treibstoffs und/oder Oxidators kann so auf die Brennkammerwand auftreffen, dass diese gekühlt wird. Hierdurch können die mechanischen Belastungen der Brennkammerwand gut kontrolliert werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand verschiedener Ausführungsformen beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. In diesen zeigen:

Figur 1 in einer schematischen Ansicht ein Raketentriebwerk mit erfindungsgemäßem Injektor;

Figur 2 in einer perspektivischen Ansicht den Injektor gemäß einer ersten Ausführungsform;

Figur 3 den Injektor von Figur 2 in einer Seitenansicht;

Figur 4 den Injektor von Figur 2 in einer Ansicht von der Brennkammer aus;

Figur 5 einen Schnitt entlang der Ebene V-V von Figur 4, wobei sich der Injektor in einem geschlossenen Zustand befindet; Figur 6 den Injektor von Figur 5, wobei er sich in einem geöffneten Zustand befindet;

Figur 7 in vergrößertem Maßstab das Detail VII von Figur 6;

Figur 8 eine Konzeptdarstellung des Zusammenwirkens des Stellelements mit dem Grundkörper;

Figur 9 in einer schematischen Darstellung die sich beim Einspritzen ergebenden Strömungsverhältnisse; die Figuren 10a bis 10f verschiedene Einspritzkonfiguration, die beim Injektor der Figuren 2 bis 7 verwendet werden können;

Figur 11 schematisch eine Ausführungsvariante zum Injektor der Figuren 2 bis 7;

Figur 12 schematisch einen Injektor gemäß einer zweiten Ausführungsform; die Figuren 13a bis 13c einen Injektor der zweiten Ausführungsform in einem Querschnitt, den Pintle des Injektors in einer Seitenansicht und einen Schnitt durch den Pintle;

Figur 14 in einem Schnitt einen Injektor gemäß einer weiteren Ausführungsform, wobei der Injektor im geschlossenen Zustand gezeigt ist;

Figur 15 den Injektor von Figur 14 im geöffneten Zustand;

Figur 16 den Injektor von Figur 14 in einer perspektivischen Ansicht; und

Figur 17 die sich beim Betrieb des Injektors der Figuren 14 bis 16 ergebenden Strömungsverhältnisse.

In Figur 1 ist schematisch ein Raketentriebwerk 1 gezeigt. Es weist einen Injektor 2 auf, mit dem ein Treibstoff und ein Oxidator in eine Brennkammer 4 eingespritzt werden können. Die Verbrennungsgase verlassen das Raketentriebwerk 1 durch eine Düse 5.

Der Injektor 2 ist in den Figuren 2 bis 7 im Detail dargestellt. Der Injektor weist einen zweiteiligen Grundkörper 10, 12 auf. Der Teil 10 des Grundkörpers dient zur Befestigung an der Brennkammer und weist eine Oxidator-Zuführung 14 auf. Der Teil 12 des Grundkörpers dient zur Anbindung eines Aktors 3 und weist eine Treibstoff-Zuführung 16 auf.

Der Injektor gemäß der ersten Ausführungsform ist für druckverflüssigte Flüssigkeiten ausgelegt, deren Dampfdruck oberhalb des Brennkammerdrucks liegt. Beispiele sind Lachgas, Ethan, Propan, Propylen und Ethylen.

Der Teil 12 des Grundkörpers des Injektors 2 ist mit einer Führung 18 versehen, die konzentrisch mit einer Mittelachse M des Injektors 2 angeordnet ist. Allgemein ausgedrückt definiert die Führung 18 einen radial innenliegenden Ventilsitz, während der Teil 10 des Grundkörpers 10, 12 einen radial außenliegenden Ventilsitz definiert. Mit diesen beiden Ventilsitzen wirkt ein Stellelement 20 zusammen, das in axialer Richtung im Grundkörper 10, 12 verschiebbar ist. In einer geschlossenen Stellung des Stellelements ist der Einspritzquerschnitt für den Treibstoff und den Oxidator verschlossen, und in geöffneten Stellungen des Stellelements ist der Einspritzquerschnitt für den Treibstoff und den Oxidator abhängig von der axialen Position mehr oder weniger freigegeben.

Die Führung 18 weist einen brennkammerseitigen Führungsring 22 und daran anschließend einen Abstandshalter 24 auf, die mittels eines Schraubbolzens 26 im Teil 12 des Grundkörpers 10, 12 befestigt sind. Die Außenfläche des Führungsrings 22 und des sich daran anschließenden Bereichs des Abstandshalters 24 bilden zusammen eine radial innenliegende Führungsfläche 25 (siehe Figur 7).

Zwischen dem Führungsring 22 und dem Abstandshalter 24 ist eine ringförmige Dichtung 28 angeordnet.

Etwa auf Höhe des Führungsrings 22 ist der Teil 10 des Grundkörpers 10, 12 mit einer Führungsfläche 30 versehen, die konzentrisch zur Mittelachse M des Injektors 2 angeordnet ist. In der Führungsfläche 30 ist eine ringförmige Dichtung 32 angeordnet.

Das Stellelement 20 ist an seinem brennkammerseitigen Ende mit einem hohlzylindrischen Abschnitt 34 ausgeführt, der außenseitig von der Führungsfläche 30 und innenseitig von der Führungsfläche 25 geführt wird. Die Dichtungen 28, 32 gewährleisten, dass die Führungswirkung auch dann aufrechterhalten wird, wenn keine extrem engen Toleranzen bei den miteinander zusammenwirkenden Bauteilen eingehalten werden.

An den hohlzylindrischen Abschnitt 34 des Stellelements 20 schließt sich an der von der Brennkammer abgewandten Seite eine radial außenliegende Schulter 36 und eine radial innenliegende Schulter 38 an. Diese bilden jeweils einen Sitz für eine ringförmige Dichtung 40 bzw. 42.

Die Dichtung 40 liegt, wenn sich das Stellelement 20 in der geschlossenen Stellung befindet, an einer konischen Anlagefläche 44 des Teils 10 des Grundkörpers 10, 12 an. Die Dichtung 42 liegt, wenn sich das Stellelement 20 in der geschlossenen Stellung befindet, an einer konischen Fläche 46 an, die am Abstandshalter 24 ausgebildet ist.

Als Material für die Dichtungen 28, 32, 40, 42 kann Teflon oder ein metallischer Werkstoff verwendet werden.

Wie insbesondere in Figur 4 in Kombination mit Figur 5 zu sehen ist, ist der hohlzylindrische Abschnitt 34 des Stellelements 20 auf der Seite der Brennkammer mit paarweise angeordneten Schlitzen versehen, nämlich mit radial außenliegenden Schlitzen 48 und mit radial innenliegenden Schlitzen 50.

Die Schlitze 48, 50 haben am brennkammerseitigen Ende des Abschnittes 34 des Stellelements 20, in radiale Richtung gemessen, die maximale Tiefe, sodass sie sich dort an einer Spitze 52 treffen. Mit zunehmendem axialen Abstand von dieser Spitze 52 verringert sich die Tiefe der Schlitze 48, 50, bis sie schließlich beide auf demselben Niveau auslaufen. Im geschlossenen Zustand des Stellelements 20 laufen die Schlitze 48, 50 innerhalb des Führungsabschnittes aus, der von der Führungsfläche 30 im Teil 10 des Grundkörpers des Injektors und der Führungsfläche 25 der Führung 18 gebildet ist.

Die axiale Position des Stellelements 20 wird mittels des Aktors 3 eingestellt, der elektromechanisch arbeitet. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird die Drehbewegung einer Spindel 60 in eine Stellbewegung einer Platte 62 übertragen, die wiederum mit dem Stellelement 20 gekoppelt ist. Wenn sich das Stellelement 20 in der geschlossenen Stellung befindet (siehe Figur 5), ist durch Anlage der Dichtungen 40, 42 auf den konischen Anlageflächen 44, 46 gewährleistet, dass weder Treibstoff noch Oxidator in die Brennkammer gelangen können („Face Shutoff“).

Wenn das Stellelement ausgehend von der geschlossenen Stellung hin zu einer geöffneten Stellung verschoben wird, wie sie beispielsweise in Figur 6 gezeigt ist, heben zunächst die Dichtungen 40, 42 von den Anlageflächen 44, 46 ab. Zu diesem Zeitpunkt liegen aber weiterhin die Schlitze 48, 50 vollständig innerhalb der Führungsflächen 25, 30, sodass (unter der Annahme von entsprechend engen Toleranzen) weiterhin weder Treibstoff noch Oxidator in die Brennkammer gelangt. Erst wenn das Stellelement 20 so weit zurückgezogen ist, dass der Beginn der Schlitze 48, 50 oberhalb des Übergangs der Führungsflächen 25, 30 in die konischen Anlageflächen 46, 44 liegt, ist im Bereich der Schlitze ein Strömungsquerschnitt für den Treibstoff und den Oxidator freigegeben. Diese strömen dann durch die Schlitze 48, 50 entsprechend der vorgegebenen Geometrie in die Brennkammer ein.

Der sich hierbei ergebende engste Strömungsquerschnitt für den Treibstoff und den Oxidator ist in Figur 7 durch Pfeile markiert.

Die geometrischen Verhältnisse sind so abgestimmt, dass im Betrieb des Injektors hier Kavitation auftritt und im engsten Strömungsquerschnitt Schallgeschwindigkeit erreicht wird. Somit ist die Einspritzgeschwindigkeit konstant, und der Massenstrom hängt (in erster Näherung) direkt vom Querschnitt des Kavitations-Venturis und der Einspritzöffnung ab. Damit lässt sich der gesamte Injektor mittels eines einzigen Parameters regeln, nämlich der Position des Stellelements 20 und damit des Durchflussquerschnitts an der engsten Stelle.

Das Mischungsverhältnis ergibt sich ausschließlich und unveränderlich durch das Verhältnis der Querschnitte für die Einspritzung des Treibstoffs und des Oxidators, also durch die Querschnitte der Schlitze 48, 50 relativ zueinander. Die Einspritzgeschwindigkeit ergibt sich durch die Schallgeschwindigkeit im engsten Querschnitt, wobei die Schallgeschwindigkeit vergleichsweise gering ist, da im engsten Querschnitt ein Gemisch aus Flüssigkeit und Gas vorhanden ist, ein sogenannter „Two Phase Choked Flow“. In Figur 8 ist schematisch das Zusammenwirken des hohlzylindrischen Abschnittes 34 des Stellelements 20 mit der innenliegenden Führungsfläche 25 und der außenliegenden Führungsfläche 30 gezeigt. Auf der linken Seite ist der engste Strömungsquerschnitt für den Treibstoff T und den Oxidator O wieder mit dicken Pfeilen markiert. Zur Verdeutlichung ist der Schnitt hier so gelegt, dass er sowohl auf der rechten als auch auf der linken Seite des hohlzylindrischen Abschnittes 34 jeweils durch ein Schlitzpaar 48, 50 verläuft.

Das sich im Betrieb ergebende Strömungsmuster ist schematisch in Figur 9 gezeigt.

In Figur 9 ist die Einspritzgeometrie des Injektors der Figuren 2 bis 7 schematisch gezeigt.

Durch die Vereinigung der Einspritzstrahlen aus dem eingespritzten Treibstoff T und dem eingespritzten Oxidator O ergeben sich Haupt- Einspritzstrahlen, die hier mit dem Bezugszeichen H bezeichnet sind. Durch die außen gelegenen Schlitze 50, durch die der Oxidator strömt, ergeben sich außenseitig Nebenstrahlen, die hier mit dem Bezugszeichen No bezeichnet sind. Diese Nebenstrahlen führen zu einem limitierten Film-Kühl-Effekt, der die Übergangsregion zwischen Injektor und Brennkammer kühlt. Dies ist besonders bei strahlungsgekühlten Brennkammern von großer Bedeutung.

In derselben Weise bilden sich an den Schlitzen 48 für den Treibstoff T jeweils Nebenstrahlen NT, diese bilden entlang der Führung 18 eine treibstoffreiche Zone mit vergleichsweise geringer Temperatur, sodass die Führung vor Überhitzung geschützt ist.

Durch die Anordnung der Schlitze 48, 50 können unterschiedliche Einspritzmuster realisiert werden. Hervorgehoben werden muss, dass allein durch Austausch des Stellelements 20 bei ansonsten unverändertem Injektor unterschiedliche Einspritzmuster möglich sind. Dies wird nachfolgend anhand von Figur 10 erläutert.

In Figur 10a sind zwei paarweise, einander diametral gegenüberliegende Schlitzpaare 48, 50 gezeigt. In Figur 10b ist das Schlitzmuster des in den Figuren 2 bis 7 gezeigten Injektors dargestellt.

In Figur 10c werden vier Schlitzpaare 48, 50 verwendet, die im Winkel von 90° zueinander angeordnet sind.

In Figur 10d sind Schlitzpaare 48, 50 gezeigt, die nicht radial ausgerichtet sind, sondern eine tangentiale Komponente haben, sodass Verwirbelungseffekte um die Mittelachse M möglich sind.

Es ist auch möglich, die Schlitze nicht oder nicht ausschließlich paarweise anzuordnen, sondern in unterschiedlicher Anzahl. Wie in Figur 10e gezeigt ist, sind hier für den Treibstoff insgesamt sechs Schlitze 50 vorgesehen, während für den Oxidator nur drei Schlitze 48 vorgesehen sind.

In Figur 10f werden drei Schlitze für den Treibstoff und sechs Schlitze für den Oxidator verwendet.

In Figur 11 ist eine alternative Ausgestaltung des Injektors gemäß der ersten Ausführungsform gezeigt. Für die von der ersten Ausführungsform bekannten Bauteile werden dieselben Bezugszeichen verwendet, und es wird insoweit auf die obigen Erläuterungen verwiesen.

Der Injektor von Figur 11 entspricht insoweit der Ausführungsform der Figuren 2 bis 7, als auch hier aus dem engsten Querschnitt des Injektors unmittelbar in die Brennkammer eingespritzt wird.

Der Hauptunterschied zum Injektor der Figuren 2 bis 5, der mehrere durch die Schlitze gebildete, diskrete Einspritzöffnungen aufweist, ist beim Injektor von Figur 11 ein kontinuierlicher Ringspalt sowohl für den Treibstoff als auch für den Oxidator vorgesehen. Dieser Ringspalt ist gebildet durch das brennkammerseitige Ende eines hohlzylindrischen Abschnittes 34 des Stellelements 20, das zusammen mit den zugeordneten Ventilsitzflächen im Teil 10 des Grundkörpers und der Führung 18 den jeweiligen Einspritzquerschnitt definiert.

Auch beim Injektor von Figur 11 liegt im engsten Strömungsquerschnitt, also beim Austritt von Treibstoff und Oxidator in die Brennkammer, ein zweiphasiger Choked Flow vor. Der engste Querschnitt, der hier mit der Einspritzöffnung zusammenfällt, ist hier jeweils mit E markiert.

In Figur 12 ist ein Injektor gemäß einer zweiten Ausführungsform gezeigt. Für die von der ersten Ausführungsform bekannten Bauteile werden dieselben Bezugszeichen verwendet, und es wird insofern auf die obigen Erläuterungen verwiesen.

Der Hauptunterschied zwischen dem Injektor der ersten Ausführungsform und dem der zweiten Ausführungsform liegt darin, dass der Injektor der zweiten Ausführungsform für Flüssigkeiten ausgelegt ist, deren Dampfdruck unterhalb des Brennkammerdrucks liegt. Beispiele sind flüssiger Sauerstoff, Wasserstoffperoxid, Methan, flüssiger Wasserstoff und Ethanol.

Da der Dampfdruck dieser Flüssigkeiten unterhalb des Brennkammerdrucks liegt, kann nicht unmittelbar aus den Kavitations-Venturis 70, 103 eingespritzt werden. Daher ist anschließend an den Kavitations-Venturi, der in Figur 12 mit dem Bezugszeichen 70 bezeichnet ist, ein Druckrückgewinnungs-Abschnitt 72 für den Treibstoff und ein Druckrückgewinnungs-Abschnitt 74 für den Oxidator vorgesehen. In den Druckrückgewinnungs-Abschnitten 72, 74 wird das Fluid durch eine kontinuierliche Vergrößerung des Strömungsabschnittes wieder abgebremst, sodass der Druck zurück auf Brennkammerniveau steigt.

Stromabwärts des Druckrückgewinnungs-Abschnittes 74 können dann der Treibstoff und der Oxidator eingespritzt werden. Die Einspritzöffnungen, die hier nicht mit dem engsten Querschnitt zusammenfallen, sind mit 102, 103 bezeichnet.

Der Injektor ist hier als „Pintle Injektor“ ausgeführt. Das Einspritzmuster kann hier mit grundsätzlich bekannten Merkmalen eingestellt und beeinflusst werden, beispielsweise Nuten in der Düsenplatte.

In den Figuren 13a bis 13c ist der Injektor von Figur 12 gezeigt, wobei anstelle des in Figur 12 sehr schematisch dargestellten Druckrückgewinnungs- Abschnittes 72, 74 hier eine konkrete, strömungsoptimierte Geometrie gezeigt ist.

Auch hier wird der Injektor allein durch die axiale Verstellung des Stellelements 20 mittels des (in Figur 13 schematisch gezeigten) Aktors 3 geregelt. Der einzige Regelparameter ist der Massenstrom, der lediglich vom Strömungsquerschnitt im Kavitations-Venturi 70 abhängt.

Der Vollständigkeit halber werden die Anforderungen, die ausnahmslos erfüllt sein müssen, damit sich in einer Injektorgeometrie bei Fluiden, deren Dampfdruck kleiner als der Brennkammerdruck ist, ein Kavitationszustand einstellen kann, nachfolgend zusammengefasst:

Es muss eine engste Stelle existieren, welche einen

Strömungsquerschnitt hat, der kleiner ist als die Einspritzöffnung.

Es muss ein Druckrückgewinnungsabschnitt/Diffusor hinter der engsten Stelle existieren. Die Druckrückgewinnung muss für den erfolgreichen Kavitationsbetrieb ausreichend effizient sein.

Ohne korrekt dimensionierte Druckrückgewinnung kann sich kein Kavitationsbetrieb einstellen

Der Strömungsquerschnitt muss an der engsten Stelle ausreichend klein sein, sodass bei gegebenem Druckabfall und gegebener Größe der Einspritzöffnung und geforderter Einspritzgeschwindigkeit bzw. geforderten Massenstrom an der engsten Stelle der statische Druck unter den Dampfdruck fällt. Ist die Querschnittsfläche zu groß oder der Druckunterschied zu niedrig, stellt sich normale Strömung ohne Kavitation ein.

Das Druckverhältnis zwischen Brennkammer und Zuleitung muss über einem kritischen Verhältnis liegen. Dieses kritische Verhältnis wird durch das Verhältnis der Querschnitte von Einspritzöffnung und Kavitationsöffnung als auch durch im Injektor erzeugte Reibungs- und Verwirbelungsverluste (insbesondere im Druckrückgewinnungsabschnitt) vorgegeben. Bei zu hohen Druckverlusten steigt das benötigte Druckverhältnis auf unrealistisch hohe Werte an. Eine gute Druckrückgewinnung und strömungsdynamische Optimierung ist daher Voraussetzung für ein funktionsfähiges Design. Ist der Druckabfall zu hoch, stellt sich statt Kavitationsbetrieb normale Strömung ein. Die engste Stelle muss ausreichend lange ausgeführt sein, da die Verdampfung des Fluids erst nach einer gewissen Verzögerung auftritt (Siedeverzug). Dies kann durch Absenken des Druckes auf einen Wert unterhalb des Dampfdruckes bedingt beschleunigt werden. Dies gilt auch für kavitierend eingespritzte Fluide mit einem Dampfdruck, der größer ist als der Brennkammerdruck.

In den Figuren 14 bis 16 ist ein Injektor gemäß einer weiteren Ausführungsform gezeigt. Der Injektor entspricht dabei im grundsätzlichen Aufbau dem aus den Figuren 1 bis 7 bekannten Injektor. Es werden für die vom Injektor der Figuren 1 bis 7 bekannten Bezugszeichen verwendet, und es wird insoweit auf die obigen Erläuterungen verwiesen.

Ein Unterschied zwischen der Ausführungsform der Figuren 1 bis 7 und der Ausführungsform der Figuren 14 bis 16 besteht darin, dass die Führung 18 („Pintle“) hier einstückig ausgeführt ist und im Teil 12 des Grundkörpers 10, 12 verschraubt ist. Die Außenfläche der Führung 18 bildet ein radial innenliegenden Führungsfläche 25.

Die Pintle 18 ist im Teil 12 des Grundkörpers 10, 12 verschraubt. Die Außenfläche der Pintle 18 bildet eine radial innenliegende Führungsfläche 25.

An den hohlzylindrischen Abschnitt 34 des Stellelements 20 schließt sich an der von der Brennkammer abgewandten Seite eine außenliegende konische Dichtfläche 44 und eine innenliegende konische Dichtfläche 46 an. Gegenüber dieser Dichtflächen befindet sich in Grundkörper 10 und Pintle 18 jeweils eine Nut (36 und 38) für die Dichtringe 40 und 42. Die Dichtung 40 liegt, wenn sich das Stellelement 20 in der geschlossenen Stellung befindet, an einer konischen Anlagefläche 44 des Teils 20 an. Die Dichtung 42 liegt, wenn sich das Stellelement 20 in der geschlossenen Stellung befindet, an einer konischen Fläche 46 an, die am Stellelement 20 ausgebildet ist.

Die Radialdichtringe 107 und 108 dichten das verschiebliche Stellelement 20 und die Grundkörper 10,12 gegen die Umgebung ab. Alternativ können die Dichtringe 107 und 108 durch metallische Faltenbalgdichtungen ersetzt werden.

Zusammengefasst zeichnen sich die beschriebenen Injektoren durch die folgenden Eigenschaften aus: Betrachtet man die vier Regelparameter Gesamtmassenstrom, Mischungsverhältnis, Treibstoffeinspritzgeschwindigkeit und Oxidatoreinspritzgeschwindig- keit, so wird im Betrieb einzig der Gesamtmassenstrom variiert während die restlichen Parameter durch geeignete Maßnahmen fixiert werden können.

Befindet sich der Injektor im Kavitationsbetrieb (2-Phase Choked Flow) und hält man die Eingangsbedingungen konstant, so sind alle Parameter in erster Näherung nur lineare Funktionen der Geometrie (Strömungsquerschnitte). Nichtlinearitäten sind durch Reibungseffekte und Verwirbelungseffekte vorhanden, diese haben jedoch nur geringe Auswirkungen.

Der Zusammenhang zwischen Massenstrom und Einspritzgeschwindigkeit (damit Querschnitt des Kavitations-Venturis und der Einspritzöffnung) sind in erster Näherung direkt proportional. Bei Halbierung des Massenstromes muss für konstante Einspritzgeschwindigkeit der Einspritzquerschnitt ebenso halbiert werden. Hierdurch können beide Parameter durch einen einzelnen gekoppelten Parameter gesteuert werden.

Die Einspritzgeschwindigkeiten von Treibstoff und Oxidator können, wie bei Variable Area Injektoren üblich, über einen gekoppelten Parameter gesteuert werden.

Hierdurch lässt sich die gesamte Regelung auf einen einzelnen Stellparameter zur Massenstromkontrolle zusammenfassen. Einspritzgeschwindigkeiten sowie Mischungsverhältnis sind durch die Geometrie festgeschrieben.

Durch korrekte Wahl der Geometrien kann ein linearer Zusammenhang zwischen Schub und Stellgröße konstruiert werden. Dies stellt, in Kombination, mit der Druckentkopplung durch die Kavitation eine signifikante Vereinfachung des Regelkreises dar.

Der Injektor ist aufgrund der geringeren Anforderungen an die Größe der Strömungsöffnung gut zur Miniaturisierung (z.B. Satellitentriebwerke) geeignet.

Bei der ersten Ausführungsform läuft das Stellelement innen als auch außen an einer anliegenden und abgedichteten Führung; Treibstoff bzw. Oxidator liegen an der Innen- bzw. Außenseite an. Wird das Stellelement so weit verschoben, dass die Schlitze über die Führung hinausragen können die Treibstoffe durch die sich bildende Öffnung in die Brennkammer eintreten. Beide Komponenten treffen anschließend (gleich dem klassischen Impingement-Design) aufeinander und werden zerstäubt. Die Einspritzöffnungen nehmen proportional zum Verfahrweg des Stellelements zu. Das Mischverhältnis wird über die Schlitzbreiten festgelegt. Eine Skalierung ist durch das Hinzufügen oder Wegnehmen von Schlitzpaaren problemlos während der Herstellung möglich.

Ein Face Shutoff ist durch Integration von Ventilen direkt in die Injektorgeometrie möglich.

Um die Face Shutoff-Charakteristiken zu verbessern, werden weiche Dichtpackungen nahe an den Einspritzöffnungen verbaut. Hierdurch wird die Dichtheit über längere Zeiträume verbessert. Dies ist insbesondere für die Anwendung als Satellitentriebwerk relevant.