DE102005039742B4

DE102005039742B4 - Schubdüse für Raketen mit ausfahrbarer Düsenverlängerung

Info

Publication number: DE102005039742B4
Application number: DE200510039742
Authority: DE
Inventors: Mario Dipl.-Phys. Keck; Steffen Dr.-Ing. Niebergall
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2005-08-23
Filing date: 2005-08-23
Publication date: 2008-10-02
Anticipated expiration: 2025-08-24
Also published as: WO2007022771A2; DE102005039742A1; WO2007022771A3

Abstract

Schubdüse für Raketen, bestehend aus einer Starterglocke (1) und wenigstens einem Düsenring (6) mit je einem vorderen Führungsbund (7) sowie mechanischen Mitteln zum Ausfahren des bzw. der Düsenringe (6), gekennzeichnet dadurch, dass am größten Durchmesser der Starterglocke (1) bzw. jedes der dem letzten Düsenring (6) vorhergehenden Düsenringe (6) je ein sich nach vorn erstreckender Führungszylinder (3) befestigt ist, und jeder Führungsbund (7) auf dem ihm zugehörigen Führungszylinder (3) gleitfähig ist, wobei der luftdurchlässige Ringspalt zwischen Führungsbund (7) und Führungszylinder (3) auf das notwendige Gleitspiel reduziert ist (aus Abs. 0010).

Description

Die Erfindung betrifft eine Schubdüse für Raketen mit wenigstens einer ausfahrbaren, den Düsenquerschnitt vergrößernden Düsenverlängerung.
Derartige Schubdüsen sind bereits bekannt. Direkt am Ausgang des Raketenmotors ist eine Starterglocke befestigt. Sie ist während der gesamten Startphase allein wirksam. In größerer Höhe wird ein die Starterglocke umgebender Düsenring von seiner Startposition in der Nähe des Raketenmotors nach hinten ausgefahren und mit seinem Anfangsdurchmesser an den Ausgangsdurchmesser der Starterglocke angehängt.
Die Begriffe vorn und hinten werden hier auf die Rakete bezogen; die Raketenspitze ist vorn; alles, was zu ihr hin zeigt bzw. liegt, ist vorn.
Die aus der Starterglocke und dem Düsenring zusammengesetzte Düse ist mit ihrem größeren Querschnitt dem in großer Höhe herrschenden geringeren Umgebungsdruck besser angepasst als die Starterglocke allein. In noch größerer Höhe können weitere Düsenringe angehängt werden.
Eine solche Lösung ist beispielsweise in FR 2 622 931 A1 dargestellt. In einer ersten Ausführung wird mit einem Gestänge ein Düsenring koaxial zur Starterglocke zunächst in der Nähe des Raketenmotors gehalten. In größerer Höhe wird das Gestänge mit einem linearen Antriebsmechanismus, in diesem Fall einem Arbeitszylinder, bewegt und der Düsenring ausgefahren. Auch in DE 29 31 310 A1 sind zwei ausfahrbare Düsenringe um eine Starterglocke angeordnet. Sie gleiten jeweils mit einem vorderen Führungsbund auf wenigstens zwei, vorzugsweise vier Tragschienen.
Typisch für diese und ähnliche Lösungen ist, dass während des Ausfahrens Luft durch den Ringspalt zwischen Starterglocke und Düsenring bzw. Führungsbund strömt. Die Wechselwirkung der zuströmenden Luft mit dem Düsentreibstrahl erzeugt im hinteren Düsenbereich Pulsationen, die starke räumlich und zeitlich wechselnde Querkräfte zur Folge hat. Die Flugstabilität der Rakete wird beeinträchtigt und die Düse zusätzlich mechanisch belastet. Die Durchströmung endet erst dann, wenn der Düsenring seine Arbeitsposition am Ende der Starterglocke erreicht hat.
Um das Entstehen von Luftspalten beim Ausfahren des Düsenringes zu verhindern, arbeiten andere Lösungen mit faltbaren Düsenringen (z. B. DE 29 03 098 C2 ) bzw. faltenbalgartigen Abdichtungen ( DE 103 12 419 A1 ), wodurch sich der Aufwand erhöht und die Gestaltungsmöglichkeiten eingeschränkt werden.
Anstelle des Arbeitszylinder sind weitere Linearantriebe, wie Seilzug oder Spindeltrieb im Einsatz.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine verlängerbare Schubdüse mit Starterglocke und wenigstens einem Düsenring mit minimalen, luftdurchlässigen Ringspalten unterhalb des kleinsten Düsenringdurchmessers während des Ausfahrens der Düsenringe anzugeben.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass am kleinsten Durchmesser des bzw. der Düsenringe je ein Führungsbund und am größten Durchmesser der Starterglocke bzw. jedes der dem letzten Düsenring vorhergehenden Düsenringe je ein Führungszylinder befestigt ist, Führungsbund(e) und Führungszylinder sich nach vorn erstrecken und jeder Führungsbund auf dem ihm zugehörigen Führungszylinder gleitfähig ist.
Indem die Führungsbunde der Düsenringe beim Ausfahren jeweils auf einem Führungszylinder gleiten, entspricht der verbleibende luftdurchlässige Ringspalt dem notwendigen Gleitspiel zwischen Führungsbund und Führungszylinder, d. h., er ist vernachlässigbar minimal. Pulsationen im hinteren Düsenbereich mit ungewollten, die Flugstabilität der Rakete beeinträchtigenden Querkräften können praktisch kaum entstehen. Die zusätzliche mechanische Belastung der Düse entfällt dementsprechend. In dieser Beziehung können die Führungszylinder sogar zur mechanischen Stabilisierung der Düse beitragen, indem deren vordere Stirnseiten vorzugsweise zusätzlich abgestützt werden.
Die Düsenringe können mit bekannten mechanischen Mitteln, wie insbesondere Spindeltriebe oder Seilzüge, ausgefahren werden.
Die Erfindung wird nachfolgend an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen
1 eine Schubdüse, bestehend aus einer Starterglocke und einem Düsenring, mit einem Seilzug im linken Teil des Blattes und einem Spindeltrieb in der rechten Blatthälfte,
2 eine vergrößerte Darstellung des Seilzuges aus 1 mit einem Düsenring in der Ausgangsposition,
3 eine vergrößerte Darstellung des Seilzuges aus 1 mit einem ausgefahrenen Düsenring,
4 den Schnitt A-A aus 2.
In 1 ist eine Schubdüse, bestehend aus einer Starterglocke 1 und einem Düsenring 6 dargestellt. In der linken Blatthälfte wird der Düsenring 6 mit einem Seilzug bewegt. Dargestellt ist die linke Hälfte des Düsenrings 6 während des Ausfahrens. In der rechten Blatthälfte wird der Düsenring 6 mit einem Spindeltrieb bewegt. Gezeigt ist die rechte Hälfte des Düsenrings, einmal in der Ausgangsposition (Volllinien) und zum anderen in der Endposition (gestrichelte Linien).
Die Starterglocke 1 schließt an einen Raketenmotor 2 einer nicht dargestellten Rakete an. Der Raketenmotor 2 und weitere Teile sind an einer Stütz- und Tragestruktur 4, die mit dem Raketenende verbunden ist, befestigt.
Am vorderen Teil des Düsenrings 6 ist ein Führungsbund 7 angesetzt. Am größten Durchmesser der Starterglocke 1 ist ein Führungszylinder 3 angeschlossen. Beide erstrecken sich nach vorn. Der Führungszylinder 3 ist zusätzlich mit seiner vorderen Stirnseite an der Stützstruktur 4 befestigt. Er verstärkt dadurch zugleich die Befestigung der Starterglocke an der Rakete. Der Führungsbund 7 gleitet auf dem Führungszylinder 3. Während des Ausfahrens des Düsenringes 6 ist der bisherige große Ringspalt zwischen Düsenring 6 und Starterglocke 1 auf das gerade noch notwendige Führungsspiel zwischen Führungsbund 7 und Führungszylinder 3 reduziert. Der Führungsbund 7 kann die verbleibenden, auf den Düsenring 6 wirkende Querkräfte auf den Führungszylinder 3 übertragen.
Die zum Ausfahren des Düsenringes 6 verwendeten mechanischen Mittel, der Seilzug und der Spindelantrieb, sind jeweils mehrfach, vorzugsweise dreifach, vorhanden und symmetrisch um die Düsenlängsachse angeordnet.
Der Seilzug ist in den 2 bis 4 vergrößert dargestellt. An der vorderen Stirnseite des Führungsbundes 7 sind die Enden eines Seiles 12 befestigt. Das Seil 12 läuft zu beiden Längsseiten des Führungszylinders 3, einmal außerhalb und einmal innerhalb, jeweils etwa parallel zur Düsenlängsachse. Es wird über eine vordere und eine hintere Umlenkrolle 10 und 11 geführt. Die hintere Umlenkrolle 11 befindet sich in einem Durchbruch des Führungszylinders 3. Das Seil 12 wird dort durch den Führungszylinder 3 geführt. Die vordere Umlenkrolle 10 ist vor dem Führungszylinder 3 an der Stützstruktur 4 gelagert. Dem Seilzug ist ein Antrieb 5 zugeordnet. Das Seil 12 ist z. B. um eine, von einem Motor angetrieben Scheibe geschlungen. Der Düsenring 6 kann je nach Drehrichtung des Antriebs 5 nach hinten ausgefahren oder in seine Anfangsposition zurückgestellt werden.
Am Führungsbund 7 ist eine Rast vorgesehen. Eine Klinke 8 ist mit einer Feder gegen den Führungszylinder 3 vorgespannt. Im hinteren Teil des Führungszylinders 3 befindet sich eine Öffnung 9, in die die Klinke 8 gleitet, sobald der Düsenring 6 bis dahin ausgefahren wurde (s. 3). Die auf den Düsenring 6 wirkenden Schubkräfte werden mit den Klinken über die Öffnungen 9, Führungszylinder 3 und Starterglocke 1 auf die Rakete übertragen. Wenn der Düsenring 6, wie prinzipiell mit dem Seilzug möglich, zurückgefahren werden soll, müsste der Rast ein Mechanismus zum Herausziehen der Klinke 8 zugeordnet werden, z. B. ein elektrisch betriebener Magnet.
Das Seil 12 befindet sich unter dem Führungsbund in einer Nut 16. Damit keine Gase durch die Nut 16 eindringen können, ist am Ende des Führungszylinders 3 in der axialen Verlängerung der Nut 16 ein Verschlussteil 17, passend zu Nut 16, vorgesehen.
Prinzipiell ist die Abdichtung auch über die Klinke 8 möglich. Sie müsste hierzu durch die Nut 16 geführt werden und einen Schlitz zur Aufnahme des Seils aufweisen.
In 4 ist die erste Variante mit Verschlussteil 17 dargestellt. Gemäß dieser Figur ist die Rast am Umfang des Führungsbundes 7 im Winkel gegenüber der Nut 16 versetzt. In den 2 und 3 wäre sie danach nicht zu sehen. Zur einfacheren Darstellung wurde die Klinke 8 aber in diesen Figuren in die Ebene mit der Nut 16 gedreht.
Der in der rechten Blatthälfte von 1 dargestellte Spindelantrieb, besteht aus einem Antrieb 13, einer Spindel 14 und Mutter 15. Der Antrieb 13 ist am Stützgerüst 4 und die Mutter 15 ist an dem Düsenring 6 jeweils in einer Ebene mit der Düsenlängsachse schwenkbar gelagert. Der Antrieb 13 dreht die Spindel 14. Die Spindeldrehung wird mit der Mutter 15 in eine Linearbewegung des Düsenrings 6 gewandelt.

1: Starterglocke
2: Raketenmotor
3: Führungszylinder
4: Stützstruktur
5: Seilzugantrieb
6: Düsenring
7: Führungsbund
8: Klinke
9: Öffnung
10: vordere Umlenkrolle
11: hintere Umlenkrolle
12: Seil
13: Spindelantrieb
14: Spindel
15: Mutter
16: Nut
17: Verschlussteil

Claims

Schubdüse für Raketen, bestehend aus einer Starterglocke (1) und wenigstens einem Düsenring (6) mit je einem vorderen Führungsbund (7) sowie mechanischen Mitteln zum Ausfahren des bzw. der Düsenringe (6), gekennzeichnet dadurch, dass am größten Durchmesser der Starterglocke (1) bzw. jedes der dem letzten Düsenring (6) vorhergehenden Düsenringe (6) je ein sich nach vorn erstreckender Führungszylinder (3) befestigt ist, und jeder Führungsbund (7) auf dem ihm zugehörigen Führungszylinder (3) gleitfähig ist, wobei der luftdurchlässige Ringspalt zwischen Führungsbund (7) und Führungszylinder (3) auf das notwendige Gleitspiel reduziert ist (aus Abs. 0010).
Schubdüse nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die vordere Stirnseite der Führungszylinder (3) abgestützt ist.
Schubdüse nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass zum Ausfahren eines Düsenringes (6) ein Spindeltrieb mit einem Antrieb (13) in der Nähe des Raketenmotors und einer von diesem gedrehten Spindel (14) sowie einer Mutter (15) am Düsenring (6) vorgesehen ist, wobei der Antrieb (13) und die Mutter (15) in einer Ebene mit der Düsenlängsachse schwenkbar gelagert sind.
Schubdüse nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass zum Ausfahren eines Düsenrings (6) ein motorgetriebener Seilzug vorgesehen ist, dessen Seil (12) außerhalb des Führungszylinders (3) zu beiden Seiten der vorderen Stirnseite des Führungsbundes (7) befestigt und über eine vordere und eine hintere Umlenkrolle (10 und 11) in den Führungszylinder (3) umgelenkt ist, wobei das Seil (12) außerhalb und innerhalb des Führungszylinders (3) etwa jeweils parallel zur Düsenlängsachse geführt ist, die vordere Umlenkrolle (10) vor dem Führungszylinder (3) und die hintere Umlenkrolle (11) im hinteren Teil des Mantels des Führungszylinders (3) gelagert sind und das Seil hinter der hinteren Umlenkrolle (11) durch den Mantel des Führungszylinders (3) läuft
Schubdüse nach Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, dass das Zugseil unter dem Führungsbund (7) in einer parallel zur Düsenlängsachse verlaufenden und in den Führungsbund (7) eingearbeiteten Nut (16) liegt.
Schubdüse nach Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, dass im Führungsbund (7) eine mit einer Feder gegen den Führungszylinder (3) vorgespannte Klinke (8), die in eine Öffnung (9) im Führungszylinder (3) einrasten kann, vorgesehen ist.
Schubdüse nach den Ansprüchen 4 bis 6, gekennzeichnet dadurch, dass am Ende des Führungszylinders (3) in der Verlängerung der Nut (16) ein Verschlussteil (17), passend zu Nut (16), vorgesehen ist.