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Die Erfindung betrifft eine Düsenverlängerung aus Kohlenstoffkeramik für einen
Raketenantrieb gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Ein bekanntes Verfahren für die Herstellung von Brennkammern und Düsenverlängerungen
aus Kohlenstoffkeramik beruht auf der Verwendung von vorgefertigten Gewebelagen aus
Kohlenstoff Filamenten. Die Gewebelagen werden auf eine Form aufgelegt und bilden das
Kohlefasergerüst für die Brennkammer oder Düsenverlängerung. Nach dem Auflegen der
Gewebelagen wird ein Precursor-Polymer in das Kohlefasergerüst injiziert und das getränkte
Kohlefasergerüst wird einer Pyrolyse unterzogen. Bei der Pyrolyse zersetzt sich die
Precursor-Matrix und es entsteht ein faserverstärktes Kohlenstoffgerüst. In einem weiteren Schritt
wird das faserverstärkte Kohlenstoffgerüst mit flüssigem Silizium infiltriert und zu einer
keramischen Siliziumcarbid-Matrix - die auch als Kohlenstoffkeramik oder kurz als "C/SiC"
bezeichnet wird - ausgehärtet (DE-A1-197 30 674). Die Herstellung von
C/SiC-Düsenverlängerungen unter Verwendung des vorangehend beschriebenen Auflegeverfahrens ist relativ
aufwendig und erforderliche Flanschverbindungen und andere Krafteinleitungs- oder
Befestigungselemente sind nur schwierig mit ausreichender Festigkeit in die
Düsenverlängerung zu integrieren.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Düsenverlängerung mit Flanschelementen
aus C/SiC zu schaffen, die relativ einfach herstellbar ist und gute Festigkeitseigenschaften
aufweist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die erfindungsgemäße Lösung verwendet für die Herstellung des Kohlefasergerüstes der
Düsenverlängerung die aus der Kohlenstofffasertechnologie bekannte Wickeltechnik in
Kombination mit einer Umformtechnik zur Herstellung von integrierten Flanschelementen.
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Bei der erfindungsgemäßen Verwendung der Wickeltechnik kann neben den
wirtschaftlichen Vorteilen bezüglich des Herstellungsaufwandes durch eine Anpassung der
Faserorientierung und des Lagenaufbaus vorteilhaft auf die Belastungsvorgaben der
Düsenverlängerung und ihrer Schnittstellenelemente eingegangen werden. Insbesondere kann mit der
Wickeltechnik in den kritischen Flanschbereichen der konusförmigen Düsenverlängerung
eine Verstärkung des Materials erzeugt werden.
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Eine weitere Verstärkung derartiger Stellen ist bei Bedarf dadurch möglich, dass zusätzlich
während des Wickelns dort Gewebelagen aus Kohlenstoff-Filamenten aufgelegt und
zwischen den Wickellagen integriert werden.
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Erfindungsgemäß werden die Flansche der Düsenverlängerung als kegelförmig nach außen
gebogene und verstärkte Aufweitungen des Düsenmantels ausgebildet. Damit wird
erreicht, dass an den Flanschstellen kein unterbrochener Faserverlauf entsteht, wodurch sich
bestmögliche Festigkeitseigenschaften für die so integrierten Flansche ergeben. Die
Umformtechnik ohne großen Aufwand möglich und ein mit spitzem Biegewinkel aufgebogener
Flansch besitzt formbedingt elastische Eigenschaften, die vorteilhaft Wärmedehnungen in
der Flanschverbindung kompensieren können.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung betreffen Einrastfedern aus C/SiC zur
Verriegelung eines ausfahrbaren Teils einer Düsenverlängerung und die Ausbildung eines
Standringes am Austritt einer Düsenverlängerung.
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Anhand der Zeichnung wird nachstehend Ausführungsbeispiel der Erfindung näher
erläutert.
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Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Düsenverlängerung,
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Fig. 2 zeigt eine Flanschverbindung zwischen der Brennkammer und der
Düsenverlängerung,
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Fig. 3 zeigt eine alternative Ausbildung einer derartigen Flanschverbindung,
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Fig. 4 zeigt eine Schnittstellenverbindung mit Einrastfedern zwischen einem feststehenden
und einem ausfahrbaren Teil einer Düsenverlängerung,
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Fig. 5 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt dieser Verbindung und der Einrastfedern und
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Fig. 6 oberen und unteren Hälfte des ausfahrbaren Teils der Düsenverlängerung.
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Die in Fig. 1 gezeigte Düsenverlängerung 1 besteht aus einem feststehenden Düsenteil 3
und einem ausfahrbaren Düsenteil 4. Das feststehende Düsenteil 3 ist mit dem
Düsenaustritt der Brennkammer 2 mittels einer Flanschverbindung 7 fest verbunden und das
ausfahrbare Düsenteil 4 wird im Weltall mittels einem in Fig. 1 nicht näher gezeigten
Gewindestangenantrieb in axialer Richtung aus einer beim Raketenstart eingenommenen, platzsparenden
Startstellung in die in Fig. 1 gezeigte, ausgefahrene Betriebsstellung gefahren und an der
Schnittstellenverbindung 8 zwischen dem feststehenden und dem ausfahrbaren Düsenteil
verriegelt.
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Das ausfahrbare Düsenteil 4 setzt sich aus einem oberen Düsenabschnitt 5 und einem
unteren Düsenabschnitt 6 zusammen, wobei der "obere" Düsenabschnitt 5 zum feststehenden
Düsenteil 3 hin angeordnet ist und der "untere" Düsenabschnitt 6 mit seiner
Austrittsöffnung den Düsenaustritt 10 der Düsenverlängerung 1 bildet. Der obere Düsenabschnitt 5und der untere Düsenabschnitt 6 sind an der Schnittstellenverbindung 9 fest miteinander
verbunden.
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Erfindungsgemäß bestehen der feststehende Düsenteil 3, der obere Düsenabschnitt 5 und
der untere Düsenabschnitt 6 aus gewickelter Kohlenstoffkeramik. An der
Flanschverbindung 7 und an den Schnittstellenverbindungen 8 und 9 sind Flansche durch eine
aufweitende Umformung der Kohlefaserwicklungen in die Düsenteile integriert. Am Düsenaustritt
10 ist der Rand des unteren Düsenanschnittes 6 umgebogen, so dass er einen
formversteiften Standring 11 für die Düsenverlängerung bildet.
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Abweichend von dem in Fig. 1 gezeigtem Ausführungsbeispiel ist für den Fachmann die
erfindungsgemäße Lösung ohne erfinderisches Zutun auf eine Vielzahl von anders
ausgeführten Düsenverlängerungen anwendbar, z. B. auf Düsenverlängerungen mit einem
einteiligen, ausfahrbaren Düsenteil oder auf Düsenverlängerungen, die kein ausfahrbares
Düsenteil aufweisen und nur aus einem feststehenden Düsenteil bestehen, das an eine
Brennkammer angeflanscht ist.
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Die in Fig. 2 gezeigte Flanschverbindung 7 zwischen dem Düsenaustritt der Brennkammer 2
und dem feststehenden Düsenteil 3 ist in Fig. 2 ausschnittsweise dargestellt.
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Die gewickelte Kohlenstoffkeramik des feststehenden Düsenteils 3 dieses
Ausführungsbeispiels besteht aus 12 Wickelschichten. Der Wickelwinkel ist hier beispielsweise so gewählt,
dass an der Austrittsöffnung des feststehenden Düsenteils 3 der fertige Düsenmantel eine
Wandstärke von etwa 2 mm aufweist. Zur Eintrittsöffnung hin vergrößert sich wegen des
abnehmenden Düsendurchmessers und der sich damit ändernder Wickelstruktur die
Wandstärke des Düsenmantels auf etwa 3 mm.
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Der Flansch 12 der Flanschverbindung 7 ist im Bereich der Eintrittsöffnung durch eine nach
außen gebogene Aufweitung des Düsenmantels erzeugt. Dieser Umformvorgang erfolgt
mit einem Biegewinkel von beispielsweise etwa 45° an dem fertig gewickelten
Kohlefasergerüst vor dem Injizieren des Precursor-Polymers.
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Beim Ausführungsbeispiel sind zur Verstärkung des Flanschs 12 zusätzliche Gewebelagen
aus Kohlenstoff-Filamenten während des Wickelns in den Flansch eingelegt, so dass der
fertige Flansch 12 eine Wandstärke von etwa 6,5 mm aufweist.
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Der Flansch 12 ist mit über dem Flanschumfang verteilten Schrauben 13 an dem
Düsenaustritt der Brennkammer 2 befestigt; die Durchgangslöcher für die Schrauben 13 sind zur
Minderung des Fertigungsaufwands vor dem Aushärten des feststehenden Düsenteils 3
gefertigt.
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Zur Vermeidung eines direkten Kontaktes zwischen dem keramischen Flansch 12 und
einem beispielsweise metallischen Düsenaustritt der Brennkammer 2 ist eine elastische
Dichtung 14 vorgesehen, die beispielsweise aus "Sigraflex" besteht und beim Montieren der
Flanschverbindung zusammengedrückt wird. Wegen der konischen Gestaltung des
Flanschs 12 wirkt die elastische Dichtung 14 auch als Zentrierhilfe für ein optimal
ausgerichtetes, axiales Zusammenfügen von Brennkammer und Düsenverlängerung. Die
Flanschverbindung ist so konstruiert, dass sie nah an den in den Düsenaustritt der Brennkammer 2
hineinreichenden Kühlkanälen 15 der Brennkammer positioniert ist. Damit wird eine
Entstehung von überhitzten Stellen in der Flanschverbindung vermieden.
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Zur Verteilung der von den Schrauben 13 auf den keramischen Flansch 12 ausgeübten
Druckkräfte ist in dem Ausführungsbeispiel zwischen den Schraubköpfen und dem Flansch
ein Segmente aus Metall 16 mit Durchgangslöchern für die Schrauben vorgesehen.
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Das in Fig. 3 gezeigte Ausführungsbeispiel für eine alternative Ausbildung der
Flanschverbindung 7 unterscheidet sich von der in Fig. 2 gezeigten Flanschverbindung dadurch, dass
die im Bereich der Eintrittsöffnung nach außen mit einem Biegewinkel von beispielsweise
etwa 45° gebogene Aufweitung eine zweite, gebogene Umformung aufweist, so dass die
Schrauben 13 in axialer Richtung montierbar sind. Diese Umformung erfolgt ebenfalls an
dem fertig gewickelten Kohlefasergerüst vor dem Injizieren des Precursor-Polymers.
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Ein zusätzlicher Vorteil dieser Flanschverbindung liegt darin, dass die Schraubverbindung
thermisch günstig von dem Düsenaustritt weiter entfernt positioniert sind.
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Abweichend zu den vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispielen der
Flanschverbindung 7 kann der Fachmann ohne erfinderische Tätigkeit andere konstruktive
Ausgestaltungen mit beliebigen positiven und negativen Biegewinkeln am Flansch dafür vorsehen.
Entscheidend für die erfinderische Lösung ist ein integrierter Flansch, der durch einen
aufweitenden Umformvorgang des fertig gewickelten Kohlefasergerüstes hergestellt und
durch einen zum Düsenmantel durchgehenden Faserverlauf gekennzeichnet ist.
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Das Umformen des Kohlefasergerüstes erfolgt mit einem im Flanschbereich geeignet
ausgebildeten Wickeldorn zur Aufnahme von Keilringeinschüben und mit äußeren Spann- und
Stützringen als Aufweit- und Biegewerkzeuge.
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Die in Fig. 4 gezeigte Schnittstellenverbindung 8 zwischen einem feststehenden Düsenteil 3
und einem ausfahrbaren Düsenteil 4 einer Düsenverlängerung 1 besteht im wesentlichen
aus einem in das ausfahrbare Düsenteil 4 integrierten Flansch 18, einem auf das
feststehende Düsenteil 3 aufgeklebten Schnittstellenring 19 und mehreren, über den Düsenumfang
verteilten Gewindestangenantrieben 20. Im Ausführungsbeispiel sind beispielsweise drei
Gewindestangenantriebe in einem Abstand von 120° zueinander auf dem Düsenumfang
verteilt.
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In den Schnittstellenring 19 sind, über den Ringumfang verteilt, mehrere Einrastfedern 26
integriert, die in entsprechende Einrastöffnungen 27 des Flansches einschnappen, wenn das
ausfahrbare Düsenteil seine ausgefahrene Betriebsstellung erreicht und damit die
Düsenteile in dieser Stellung gegeneinander arretieren. In Fig. 4 ist das ausfahrbare Düsenteil 4 in
seiner ausgefahrenen und eingerasteten Betriebsstellung gezeigt.
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Der Schnittstellenring 19 ist ein vorgefertigtes Kohlefasergerüst, das beispielsweise in
Wickeltechnik hergestellt ist und wird "in situ" vor der Pyrolyse des feststehenden Düsenteils 3
in der Art eines Hutbands auf das Kohlfasergerüst dieses Düsenteils im Bereich der
Austrittsöffnung von außen aufgeklebt.
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Der Flansch 18 des ausfahrbaren Düsenteils 4 ist im Bereich der Eintrittsöffnung dieses
Düsenteils integriert. Die Ausbildung des Flanschs erfolgt durch ein aufweitendes Umformen
des Kohlefasergerüstes in das ausfahrbare Düsenteil 4 gemäß der vorangehend zu Fig. 2
beschriebenen Vorgehensweise und weist den erfindungsgemäßen, durchgehenden
Faserverlauf auf.
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Mit dem Flansch 18 ist der zum Aus- und Einfahren des ausfahren Düsenteils 4 in den
Richtungen des Bewegungspfeiles 24 bewegliche Abtrieb 21 der Gewindestangenantriebe 20
beispielsweise mittels Schraubverbindungen 22 fest verbunden. Die Gewindestange 23 der
Gewindestangenantriebe 20 ist mit ihrem Fuß jeweils auf einem lotrecht zur Düsenachse
ausgebildeten Teilabschnitt des Schnittstellenrings 19 fest verankert. Der
Gewindestangenantrieb 20 ist gegen Erwärmung mit einem Hitzeschild 25 geschützt.
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Fig. 5 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt der Schnittstellenverbindung 8 im Bereich der
Einrastfedern 26. Die in den Schnittstellenring 19 integrierten Einrastfedern 26 bestehen
aus C/SiC. Die Herstellung der integrierten Einrastfedern kann beispielsweise dadurch
erfolgen, dass während der Herstellung des Schnittstellenrings 19 für die Einrastfedern
entsprechend bemessene, kleine Verdickungen aus Kohlefasergerüst außen auf den
Schnittstellenring 19 geklebt werden. Nach der abschließenden Aushärtung des
kompletten, feststehenden Düsenteils 3 mit dem in-situ aufgeklebten Schnittstellenring 19 werden
an diesen Verdickungsstellen die Einrastfedern 26 mittels spanabhebender Bearbeitung
erzeugt. Sie haben nach der spanabhebenden Bearbeitung beispielsweise die Form einer
einseitig in den Schnittstellenring eingespannten Lasche, die zu ihrem freien Ende hin aus
der Oberfläche des Schnittstellenrings 19 nach außen herausragt. Der Flansch 18 des
ausfahrbaren Düsenteils 4 gleitet in der Endphase des Ausfahrens auf dem Schnittstellenring 19
und drückt die hervorstehenden Einrastfedern in den Schnittstellenring hinein, bis die
Einrastöffnungen 27 über den Einrastfedern positioniert sind und diese mit ihrem freien Ende in
die Öffnungen hineinschnappen. Die Einrastöffnungen 27 sind zu einer kontrollierten
Positionierung der eingeschnappten Einrastfedern beispielsweise mit einem stufenförmigen
Anschlag 29 ausgebildet.
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Eine Gleitdichtung 29, bestehend beispielsweise aus "Sigraflex", ist zur Verminderung von
Reibungskräften zwischen dem Flansch 18 und dem Schnittstellenring 19 vorgesehen und
ein Dichtring 30 sorgt für eine Abdichtung der Schnittstellenverbindung 8.
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Der obere Düsenabschnitt 5 und der untere Düsenabschnitt 6 des Ausführungsbeispiels ist
mit einer in Fig. 6 gezeigten Schnittstellenverbindung 9 fest zu dem ausfahrbaren Düsenteil
4 miteinander verbunden.
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Die Schnittstellenverbindung 9 besteht aus einem in den unteren Düsenabschnitt 6
integrierten Flansch 31 und einem auf den oberen Düsenabschnitt 5 aufgeklebten
Schnittstellenring 32.
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Der Schnittstellenring 32 ist ein vorgefertigtes Kohlefasergerüst, das beispielsweise in
Wickeltechnik hergestellt ist und wird "in situ" vor der Pyrolyse des oberen Düsenabschnitts 4
in der Art eines Hutbands auf das Kohlfasergerüst dieses Düsenteils im Bereich der
Austrittsöffnung von außen aufgeklebt.
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Der Flansch 31 des unteren Düsenabschnitts 6 ist im Bereich der Eintrittsöffnung dieses
Düsenteils integriert. Die Ausbildung des Flanschs erfolgt durch ein aufweitendes
Umformen des Kohlefasergerüstes in dem unteren Düsenabschnitt 6 gemäß der vorangehend zu
Fig. 2 beschriebenen Vorgehensweise und weist den erfindungsgemäßen, durchgehenden
Faserverlauf auf.
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Zur Herstellung der festen Verbindung der Düsenabschnitte ist der Flansch 31 und der
Schnittstellenring 32 mittels über den Düsenumfang verteilten Schraubverbindungen 33
miteinander verbunden. Ein Dichtring 34 sorgt für eine Abdichtung der
Schnittstellenverbindung 9.