NO852942L - Rakett med forskjellige ladninger - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår rakettmotorer med faststoffladning og gjelder særlig sådanne motorer i bærbare flyve-legemer.

En ulempe ved kjente rakettmotorer som består av'en drivladning for forsterkning av rakettens startfase og en drivladning for opprettholdt fremdrift av raketten anordnet i rekke etter hinannen, er at sådanne motorer krever et forbrenningskammer med stort volum for å gi plass til begge drivladninger. Dette fører til omfangsrike rakettmotorer, hvilket særlig er en ulempe ved mannbårne raketter, hvor det er av vesentlig betydning å holde rakettvolumet minst mulig for å gjøre det lettere å bære og håndtere raketten, samt å gjøre det mulig for brukeren å avfyre raketten fra en tilsvarende liten rakettutskyter.

Det er et formål for foreliggende oppfinnelse å overvinne denne ulempe ved å frembringe en totrinns rakettmotor hvor drivladningene for henholdsvis startfasen og opprettholdt fremdrift er anordnet parallelt i stedet for i serie etter hverandre.

Foreliggende oppfinnelse gjelder således en rakettmotor som omfatter et forbrenningskammer, et utløpsmunnstykke plassert i den ene ende av kammeret, samt anordnet inne i kammeret en faststoffdrivladning for forsterkning av rakettens startfase og en faststoffdrivladning for en påfølgende fase av opprettholdt fremdrift av raketten.

På denne bakgrunn av kjent teknikk har så rakettmotoren i henhold til oppfinnelsen som særtrekk at nevnte drivladninger for henholdsvis startfasen og opprettholdt fremdrift hver omfatter et antall drivladningsstaver som passer inn mellom hverandre og hver strekker seg over hele kammerets lengde mot nevnte munnstykke, idet hver av forsterkerdrivladningens staver er av tynt vevmaterial og oppviser et høyt forhold mellom overflate og drivladningsvolum sammenlignet med drivladningsstavene for opprettholdt fremdrift.

Ved drift av denne rakettmotor tennes forsterkerdrivladningen og drivladningen for opprettholdt fremdrift samtidig. Forsterkerladningen brenner da ut forhol-dsvis raskt 'mens den akselererer raketten fra stillstand .til en foreløpig hastighet, mens drivladningen fortsetter å brenne for å akselerere raketten til maksimal hastighet, etter at den har bidratt til forsterkning av startfasen.

Drivladningsstavene som inngår i ladningen for opprettholdt fremdrift utgjøres fortrinnsvis av rørformede staver, og særlig fordelaktig er det da at hver sådan rørformet driv-ladningsstav omfatter en stav som inngår i forsterkerdrivladningen, for på denne måte å utnytte maksimalt det til-gjengelige volum inne i forbrenningskammeret.

Det er imidlertid en risiko for at rask trykksenkning inne i forbrenningskammeret i forbindelse med utbrenningen av forsterkerdrivladningen faktisk kan frembringe utslukning av drivladningen for opprettholdt fremdrift. Dette problem kan løses ved å sørge for en trinnvis eller utstrukket trykksenkning i forbrenningskammeret. I henhold til foreliggende oppfinnelse er det funnet at dette kan oppnås ved hver av de følgende utførelsemodifikasjoner av forsterkerdrivladningen: a) minst en av forsterkerdrivladningens staver kan være.av tykkere vevmaterial enn de gjenværende staver i denne

drivladning, eller

b) forbrenningstakten for forsterkerdrivladningen i minst to av denne ladnings staver kan være innbyrdes forskjellig

ved etthvert gitt trykk i forbrenningskammeret.

For å oppnå tynt vevmaterial og høyt forhold mellom overflate og drivladningsvolum ved utformingen av forsterkerdrivlad ningens staver, omfatter disse staver fortrinnsvis et antall faststofffinner av forsterkerdrivmiddel og som strekker seg radialt utover fra lengdeaksen av hver stav. Antallet sådanne finner pr. stav er fortrinnsvis seks, hvilket gir hver driv-ladningsstav et snefnuggformet tverrsnitt.

I det tilfelle drivladningen for opprettholdt fremdrift omfatter rørformede drivladningsstaver- med det formål å ned-sette risikoen for oppstykning av ladningen mot slutten av drivfasen ved opprettholdt fremdrift, er strømningstverr-snittene på innsiden og utsiden av rørene fortrinnsvis gjort like i samsvar med formelen:

hvor Rs er den midlere ladningsradius,

Rt er hylsterradien, og

N er antallet staver,

s

Foreliggende oppfinnelse gir den fordel fremfor kjente rakettmotorer at omfanget nedsettes, særlig tverrsnittarealet, samt også forholdet mellom totalvekt samt overskuddsvekten utover drivladningen i en rakett med faststoffladning.

En rakett med motor i henhold til oppfinnelsen vil nå bli beskrevet ved hjelp av et utførelseeksempel og under hen-visning til de vedlagte tegninger, hvorpå: Fig. 1 viser et lengdesnitt gjennom en rakett med motorladning for opprettholdt fremdrift i form av rør-formede drivladningsstaver, Fig. 2 viser et tverrsnitt langs linjen II-II i fig. 1, og Fig. 3 viser også et tverrsnitt langs linjen II-II for den rakett som er angitt i fig. 1, men med en motorladning for opprettholdt fremdrift bestående av faste sylinder-staver istedet for rørformede drivladningsstaver.

Den rakett som er vist i fig. 1 har en nesekonus, et flyve-legeme 11 med finner 12 og som inneholder en rakettmotor. Denne motor omfatter et forbrenningskammer med drivladning, utløpsmunnstykke 13 samt en tennanordning 14 og en bæreskive 15 inne i munnstykket. Forbrenningskammeret inkluderer en motorhodeende 16.

Som nærmere vist i fig. 2, omfatter drivladningen i-"forbrenningskammeret fire rør 20 av faststoffdrivmiddel for drivfasen med opprettholdt fremdrift samt ni staver 21 av faststoffdrivmiddel for den forsterkede startfase. Disse staver strekker seg aksialt i motoren og er passet inn i hinannen, idet hvert rør 20 inneholder en stav 21a og de gjenværende staver 21 er anordnet i mellomrom mellom rørene. Stavene 21 har snefnuggformet tverrsnitt for derved å gi stavene størst mulig ytre overflate. De fire staver 21a er utført i tykkere vevmaterial enn de øvrige fem staver. Rørene 20 og stavene 21 er festet til hodeenden 16 ved hjelp av et klebemiddel.

En alternativ utførelse av foreliggende oppfinnelse er vist i fig. 3, hvor det istedet for de fire rør 21 av drivmiddel for opprettholdt fremdrift som er vist i fig. 1 og 2, er anordnet fire kompakte sylindre 22 av drivmiddel for opprettholdelse-fasen. Disse fire sylindre 22, som hver er utført i tykkere vevmaterial, og med et lavere forhold mellom overflate og drivstoffvolum enn drivmiddelstavene 21, 21a for den forsterkede startfase, strekker seg også i dette tilfelle i motorens aksialretning og er innpasset mellom drivmiddelstavene for den forsterkede startfase. Denne spesielle utforming av drivmiddelstavene 22 for opprettholdt fremdrift er hensikts-messig hvor en særlig lang brenntid er påkrevet i opprettholdt fremdriftsfase, idet godstykkelsen av en kontaktsylinder er større enn for et rør ved gitt drivmiddelvolum og stav-lengde.

Detaljert utførelse vil nå bli beskrevet for en rakett som angitt i fig. 1 og 2, og med følgende spesifikasjoner:

Det hastighetstilskudd (V) som frembringes av den forsterkede startfase kan beregnes ut fra Tsiolkowskis ligning.

V = I .ln(M./M.)

sp i

hvor I er spesifikk impuls,

M. er begynnelsemassen, og

M f er den endelige masse.

Det antas at en spesifikk impuls på 2200 Ns/kg og et forhold mellom begynnelsemassen og den endelige masse på 1,07 er påkrevet for å oppnå den ønskede hastighet.

Den nødvendige drivmiddelmasse (M ) er således gitt ved

M p = 0,071 (M. L + MI)

hvor M er nyttelastmassen, og

MI er den uforanderlige masse, eller

Mp<=><M>TOT/15,183

hvor MT0Ter den totale masse.

Det antas at den totale masse og hastighetsoverskuddet derfor krever en drivmasse på 0,33 kg. En lignende beregning for fasen med opprettholdt fremdrift gir en påkrevet drivmasse på 0,46 kg.

For å akselerere en gjenstand fra stillstand til 150 m/s i løpet av 1,2 m (80 % av den foreliggende utskyterlengde) krever en midlere akselerasjon på 9375 m/sek2 . Det antas en midlere flyvelegememasse på 4,84 kg (halvparten av det for-brukte forsterkerdrivmiddel), og dette gir da en påkrevet forsterkerskyvkraft på 45,3 kN i 16 msek.

For å akselerere en midlere flyvelegememasse på 4,44 kg fra 150 m/s til 330 m/s på 100 m under den opprettholdte fremdriftsfase krever en skyvekraft på 1,9 kN som virker i 0,42 sek.

For å frembringe en høy skyvekraft i et kort tidsrom utgjør et hurtigbrennende ekstrudert dobbeltbasis drivmiddel (EDB) en hensiktssmessig f ors terkerdrivladning-. For å gi en relativt lang opprettholdt drivmiddelavbrenning ved lavt trykk an-vendes et langsomtbrennende EDB-drivmiddel i drivladningen for opprettholdt fremdrift. Nærmere detaljer for de to driv-midler er angitt nedenfor:

Ved et gitt drivtrykk på 27 MPa under forsterkerfasen og under forutsetning av en munnstykkevirkningsgrad på 0.95,som gir et optimalt tverrsnittforhold på 4,34 og krever en strupediameter på 37,3 mm og en utløpsdiameter på 77,8 mm, vil den totale drivmasse være 0,79 kg og drivtrykket under opprettholdelse-fasen 1,4 MPa.

Brennoverflaten (AS)g for drivladningen for opprettholdt fremdrift regnes ut i fra ligningen:

hvor b er brenntakten,

/2 er densiteten, og

C<*>er den karakteristiske utløpshastighet.

Forsterkerdrivmiddelets brennoverflate (AS) B anslåes ved ligningen:

Ut fra den antatte arbeidsfunksjon og drivmiddelsammen-setning gir dette: (AS) = 0,168 m<2>

s

(AS)_ = 0,149 m<2>

For å nedseette risikoen for ladningsoppstykning nær slutten av avbrenningen under opprettholdt fremdrift, er strømnings-tverrsnittene inne i og utenfor rørene 20 gjort like store.

For like store strømningstverrsnitt gjelder ligningen:

hvor Rg er den midlere ladningsradius,

er hylsterradius, og

N er antall rør.

s

Studier med henblikk på å variere antall rør viser at fire rør ga korrekt avbrenningsoverflate med rimelig lengde og til-strekkelig plass for installasjon av forsterkerladningen. Dimensjonene av drivladningen for opprettholdt drift er derfor:

(Ro) = 17,85 mm ((Ro) = ytre rørdiameter)

s s

(Ri) = 12,95 mm ((Ri) = indre rørdiameter)

s s

hvilket gir en lengde på 216 mm.

Drivmiddelstavene 21 for forsterkerladningen passer inn i det åpne området mellom drivmiddelrørene 20 for opprettholdt fremdrift. For at klaringsradius (Ro) på utsiden skal være mindre enn (Ro) /(l + /1T)<2>, har stavene 21 et sekskantet "snefnugg" tverrsnitt. Brennoverflaten for staver med dette tverrsnitt er:

hvor w er godstykkelsen,

N er antall kanter, og

R = w/tan©

hvor e = 180/N

Ved ni forsterkerladningsstaver 21, 21a med lengde 220 mm og midlere diameter 14 mm, er den foretrukkede godstykkelse 1,6 mm for stavene 21 og 1,825 mm forstavene 21a.

Med hensyn til konstruksjonen av raketten i fig. 1, er finnene 12 krumme og foldet nær munnstykket, således at raketten passer inn i et utskyterrør. Ved motorens utskytning fra utskyterrøret rettes finnene opp av seg selv og låses i stilling. En liten stigning kan bygges inn i hver finne for å gi projektilet en langsom rullebevegelse.

Munnstykkeanordningen 13 har et konvergerende avsnitt, og et strupeområde, som har sin indre profil krombelagt for å motstå de korroderende virkninger av utbrenningen av begge lad-ninger, samt en utløpskonus. Ytterflatene passes sammen med de fire finneanordninger 12 og tillater utskytning fra et utskyterrør med 103 mm diameter.

Utløpskonusen er påskrudd resten av munnstykkeanordningen i korrekt stilling.

Tenninnretningen 14 utgjøres av støpt ABS plastmaterial festet ved hjelp av et passende klebemiddel til motorens sprengskive 15. Pyroteknisk pulver og en fenghette er tettende innlagt i en tennkardeske ved hjelp av aluminiumfolie. Ledningene til fenghetten passerer gjennom bunnen av kardesken og spreng-skiven til motorens utside.

Claims (7)

1. Rakettmotor som omfatter et forbrenningskammer, et ut-løpsmunnstykke plassert i den ene ende av kammeret, samt anordnet inne i kammeret en faststoffdrivladning for forsterkning av rakettens startfase og en faststoffdrivladning for en påfølgende fase av opprettholdt fremdrift av raketten, karakterisert ved at nevnte drivladhinger for henholdsvis startfasen og opprettholdt fremdrift hver omfatter en antall drivladningsstaver (20, 21, 22) som passer inn mellom hverandre og hver strekker seg over hele kammerets lengde mot nevnte munnstykke, idet hver av forsterkerdrivladningens staver (21) er av tynt vevmaterial og oppviser et høyt forhold mellom overflate og drivladningsvolum sammenlignet med drivladningsstavene (29, 22) for opprettholdt fremdrift.

2. Rakettmotor som angitt i krav 1, karakterisert ved at drivladningsstavene for opprettholdt fremdrift omfatter rørformede staver (20).

3. Rakettmotor som angitt i krav 2, karakterisert ved at hver rørformet driv-ladningsstav (20) for opprettholdt fremdrift har i sitt indre en av forsterkerdrivladningens staver (21a).

4. Rakettmotor som angitt i krav 1, karakterisert ved at minst en av forsterkerdrivladningens staver (21) er av tykkere vevmaterial enn resten av stavene (21) i drivladningen.

5. Rakettmotor som angitt i krav 1, karakterisert ved at brenntakten for forsterkerdrivladningens staver er innbyrdes forskjellige for minst to av disse staver (21) ved etthvert gitt trykk i forbrenningskammeret. Yif

6. Rakettdrivladning som angitt i krav 1, karakterisert ved at hver av forsterkerdrivladningens staver (21) omfatter et antall kompakte finner av forsterkerdrivmiddel som strekker seg radialt utover fra hver av stavenes lengdeakse.

7. Rakettdrivladning som angitt i krav 6, karakterisert ved at antallet finner som strekker seg radialt ut fra hver av forsterkerdrivladningens staver (21) er seks.