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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Wärmeschutzschild für eine beim Eintritt in eine Planetenatmosphäre überströmte Oberfläche eines Weltraumfahrzeugs mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1.
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Weltraumfahrzeuge, die für den Eintritt in eine Planetenatmosphäre, insbesondere den Wiedereintritt in die Erdatmosphäre vorgesehen sind, werden auch als Wiedereintrittsfahrzeuge bezeichnet.
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STAND DER TECHNIK
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Die Geschwindigkeit von Weltraumfahrzeugen im atmosphärefreien Weltraum ist sehr hoch. Entsprechend kommt es beim Eintritt eines Weltraumfahrzeugs in eine Planetenatmosphäre zu extremen Relativgeschwindigkeiten zwischen der Planetenatmosphäre und dem Weltraumfahrzeug. Diese Relativgeschwindigkeiten sind so hoch, dass die Reibung zwischen dem Weltraumfahrzeug und der seine Oberflächen überströmenden Atmosphäre in eine hohe thermische Belastung resultiert. Von dieser hohen thermischen Belastung muss der Innenraum des Weltraumfahrzeugs abgeschirmt werden, insbesondere wenn sich Menschen darin befinden. Zu diesem Zweck dient ein Wärmeschutzschild, das Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist.
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Während bei bekannten Raumgleitern und Raumkapseln die beim Eintritt in eine Plantenatmosphäre direkt in Flugrichtung zeigende Oberfläche häufig durch ein hochbelastbares, ablatierendes TPS (Thermal Protection System) geschützt wird, werden für minder beanspruchte Oberflächen des Weltraumfahrzeugs häufig so genannten Kacheln, d. h. hochtemperaturfeste Paneele aus beispielsweise keramischem Material eingesetzt. Die beim Eintritt der Atmosphäre direkt zugewandte Oberfläche eines Raumfahrzeugs wird auch als Luvseite bezeichnet, während die im Schatten der Luvseite liegenden Oberflächen des Weltraumfahrzeugs als Leeseite bezeichnet werden.
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Bei bekannten Wärmeschutzschildern für die Leeseiten von Weltraumfahrzeugen sind die einzelnen Paneele unter Zwischenordnung von Dichtungen, die ihre seitlichen Abstände überbrücken, in einer Fläche nebeneinander angeordnet. Dabei ist diese Fläche der Oberfläche des Weltraumfahrzeugs entsprechend gekrümmt, was eine Krümmung der einzelnen Paneele einschließt. Es ist technisch nicht möglich, ein Wärmeschutzschild nur aus einem einzelnen Paneel auszubilden, zumal sich jedes Paneel in Folge der auftretenden thermischen Lasten beim Eintritt in eine Planetenatmosphäre thermisch ausdehnt. Entsprechend müssen die Dichtungen zwischen den einzelnen Paneelen bekannter Wärmeschutzschilder in der Lage sein, diese Ausdehnungen zu kompensieren. Hierdurch werden an die Dichtungen, die selbst thermisch stark belastet werden, auch sehr hohe mechanische Anforderungen gestellt.
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Bei bekannten etwa kegelstumpf förmigen Raumkapseln, wobei die Kegelunterseite die Luvseite der jeweiligen Raumkapsel darstellt, erfolgt der Übergang von dem TPS der Luvseite zu dem TPS der Leeseite geometrisch über eine Ausrundung, d. h. einen Radius. Erfolgt die Anströmung der Raumkapsel unter einem Anstellwinkel zu ihrer der Kegelachse entsprechenden Längsachse, so bilden sich auf der Leeseite der Raumkapsel große Gebiete abgelöster Strömung. Die Lage und Größe dieser Gebiete ändern sich zeitlich durch Instationaritäten z. B. bezüglich der Anströmung bzw. Flugbahn der Raumkapsel, ihrer Lage und ihrer Orientierung um die Längsachse. Dies führt zu einer Beeinträchtigung der dynamischen Flugstabilität der Raumkapsel insbesondere bei subsonischen Fluggeschwindigkeiten. Eine Ausrundung mit großem geometrischem Radius zwischen dem TPS auf der Luvseite und dem TPS auf der Leeseite führt dabei durch wandernde Ablösungen zu geringerer dynamischer Stabilität. Ein kleiner Übergangsradius führt zu einer gezielten Strömungsablösung mit zwar grundsätzlich verbesserten Stabilitätseigenschaften, der Wärmestrom ist im Bereich des kleineren Radius aber signifikant erhöht.
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Bei bekannten Raumfahrzeugen ist nicht nur die Oberfläche des aus Paneelen zusammengesetzten Wärmeschutzschildes der Leeseite möglichst glatt, sondern auch der Übergang zwischen diesem Wärmeschutzschild und dem angrenzenden TPS an der Luvseite.
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Bei bekannten Wärmeschutzschildern ist es üblich, die Stoßlinien zwischen seitlich benachbarten Paneelen und damit den Verlauf der Dichtungen zwischen diesen Paneelen unter einem Schrägwinkel zu der Überströmung beim Eintritt in die Planetenatmosphäre auszurichten, um eine Längsausrichtung zu der Überströmung und eine damit erhöhte Abriebsbelastung der Dichtungen zu vermeiden.
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Bei einem aus der
DE 36 86 220 T2 bekannten, die Merkmale des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 aufweisenden Wärmeschutzschild überlappen die aneinander angrenzenden Paneele, wobei der Überlappungsbereich bei dem jeweils unten liegenden Paneel gegenüber der Hauptfläche dieses Paneels nach unten versetzt ist. Am äußeren Rand über ihrer Überlappung wird von den Paneelen eine Rinne in der Außenseite des Wärmeschutzschilds ausgebildet, deren Breite an die thermische Ausdehnung der einzelnen Paneele angepasst ist. Diese Rillen sind quer zur Überströmung des Wärmeschutzschilds ausgerichtet.
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Auch aus der
US 4,344,591 A ist ein Wärmeschutzschild mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 bekannt. Hier sind einander teilweise überlappende Paneele vorgesehen, die in ihrem Randbereich gegenläufig abgeschrägt sind, um einander stufenlos zu überdecken.
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Wärmeschutzschild mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 aufzuzeigen, das einen positiven Einfluss auf die dynamische Flugstabilität des jeweiligen Weltraumfahrzeugs hat.
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LÖSUNG
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Wärmeschutzschild mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen des neuen Wärmeschutzschilds sind in den abhängigen Patentansprüchen 2 bis 13 definiert.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Bei dem neuen Wärmeschutzschild sind die einzelnen Paneele einander schindelförmig teilweise überlappend angeordnet. Die bislang angestrebte glatte Oberfläche eines TPS führt zu einem empfindlichen und schwierig vorhersagbaren Stabilitätsverhalten des jeweiligen Weltraumfahrzeugs in kritischen Flugbereichen beim Eintritt in eine Planetenatmosphäre. Ohne gezielte geometrisch bedingte Kontrolle der Strömungsablösung bestehen relativ große Unsicherheiten in der numerischen Vorhersage des Stabilitätsverhaltens. Bei den sich erfindungsgemäß schindelartig überlappenden Paneelen bilden sich bezüglich ihrer Überströmung rückspringende Stufen aus. Diese rückspringenden Stufen verhindern ein kontinuierliches Weiterwandern von Strömungsablösungen über das Wärmeschutzschild, insbesondere, wenn dieses auf der Leeseite des jeweiligen Weltraumfahrzeugs angeordnet ist. Die Strömungsablösungen werden auf den Paneelen gezielt im Windschattenbereich der rückspringenden Stufen gehalten, wodurch die Flugstabilität des Weltraumfahrzeugs beim Eintritt in eine Planetenatmosphäre erhöht wird. Dieser Effekt ist demjenigen, der durch die Einwölbungen in der Oberfläche eines Golfballs erreicht wird, nicht unähnlich. Bei dem neuen Wärmeschutzschild sind dabei sowohl in Strömungsrichtung als auch quer dazu verlaufende Stufen mit Vorteilen verbunden, da sie jeweils aktiv ein Wandern der Strömungsablösungen verhindern. Das erfindungsgemäße Wärmeschutzschild weist zumindest Stufen in Überströmungsrichtung oder quer zu der Überströmungsrichtung auf. Bevorzugt ist eine Kombination von Stufen in beiden Richtungen.
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Die Überlappung der einzelnen Paneele weist eine typische Größenordnung von einem Zentimeter auf. Die sinnvolle Überlappung der einzelnen Paneele ist aber von der charakteristischen Fahrzeuglänge des Weltraumfahrzeugs abhängig. Hiermit wird üblicherweise die Länge, Spannweite oder der Durchmesser des jeweiligen Weltraumfahrzeugs bezeichnet. Bezogen auf die charakteristische Fahrzeuglänge beträgt die Überlappung der Paneele typischerweise mindestens 3/1000, wobei auch Überlappungen hinab bis 1/1000 der charakteristischen Fahrzeuglänge denkbar sind. Zu bedenken ist, dass sich die Überlappung in Folge einer thermischen Ausdehnung der Paneele vergrößert; aber auch bei tiefen Temperaturen im Weltraum thermische Schrumpfungen der Paneele stattfinden können, bei denen die Überlappung zur Vermeidung von Instabilitäten des Wärmeschutzschilds nicht verloren gehen sollte. In jedem Fall ist das genaue Maß der Überlappung der Paneele bei dem neuen Wärmeschutzschild nicht kritisch. Vielmehr können die Paneele des neuen Wärmeschutzschilds mit geringeren Toleranzen gefertigt werden, als die Paneele eines herkömmlichen Wärmeschutzschilds. Sie sind daher deutlich preisgünstiger herstellbar.
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Zudem erlaubt die Überlappung der Paneele die Anordnung der Dichtungen zwischen den einzelnen Paneelen im Bereich ihrer Überlappung und/oder am inneren Rand ihrer Überlappung. An beiden Stellen sind die Dichtungen geringeren thermischen Lasten und auch geringerem Abrieb durch ihre Überströmung ausgesetzt als bei herkömmlichen Wärmeschutzschilden, wobei sie am inneren Rand der Überlappung von den auftretenden thermischen Lasten am besten abgeschirmt sind.
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Die bei dem erfindungsgemäßen Wärmeschutzschild ausgebildeten Stufen zwischen den Paneelen am äußeren Rand ihrer Überlappung können in ihrer Hohe der Dicke der Paneele entsprechen. Diese Stufen können aber gegenüber der Dicke der Paneele reduziert sein, indem diese in ihrem Randbereich dünner gehalten sind. Die Höhe der Stufe ist auf die angestrebte positive Auswirkung auf die dynamische Flugstabilität abzustimmen. Typischerweise liegt sie in einem Bereich von 1 bis 3 cm. Bezogen auf die charakteristische Fahrzeuglänge des Weltraumfahrzeugs liegt der typische Bereich der Hohe der Stufen zwischen 3/1000 und 10/1000.
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Damit die Stufen am äußeren Rand der Überlappung der Paneele des neuen Wärmeschutzschilds nicht in der falschen Richtung überströmt werden, d. h. im Sinne vorspringender Stufen, ist es bevorzugt, wenn das Paneel, das der Planetenatmosphäre beim Eintritt zugewandt ist und zuerst überströmt wird, seitlich angrenzende und in Strömungsrichtung hinter ihm liegende Paneele überlappt. Insbesondere kann es zwei seitlich angrenzende und ein in Strömungsrichtung hinter ihm liegende Paneel überlappen, wobei das Paneel, das in Strömungsrichtung hinter ihm liegt seinerseits zwei seitlich angrenzende Paneele und ein in Strömungsrichtung hinter ihm liegendes Paneel überlappen kann, so dass die der Planetenatmosphäre beim Eintritt zugewandten Paneele eine Art First des Wärmeschutzschilds ausbilden.
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Insgesamt können die Paneele spiegelsymmetrisch zu einer Längsmittelebene des Weltraumfahrzeugs angeordnet sein, wobei diese Längsmittelebene durch die Zuwendung zu der Planetenatmosphäre beim Eintritt definiert ist.
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Die Paneele des neuen Wärmeschutzschilds können in Überströmungsrichtung unter Ausbildung einer Stufe an ein zusammenhängendes Wärmeschutzschild anschließen. Insbesondere geht es dabei um den Übergang zwischen einem leeseitig angeordneten erfindungsgemäßen Wärmeschutzschild und einem angrenzenden zusammenhängenden luvseitigen Wärmeschutzschild. Auch hier sorgt die bewusst ausgebildete Stufe für eine definierte Strömungsablösung auch bei großen Radien im Übergang zwischen der Luvseite und der Leeseite des Weltraumfahrzeugs, die in diesem Übergangsbereich in geringere thermische Belastungen resultieren als kleinere Radien.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.
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1 zeigt eine Seitenansicht einer Weltraumkapsel mit einem erfindungsgemäßen leeseitigen Wärmeschutzschild in einer ersten Ausführungsform.
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2 illustriert die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Wärmeschutzschilds in der Ausführungsform gemäß 1.
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3 zeigt eine Seitenansicht einer Weltraumkapsel mit einem erfindungsgemäßen leeseitigen Wärmeschutzschild in einer zweiten Ausführungsform.
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4 skizziert die Wirkungsweise des Schutzschildes gemäß 3; und
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5 illustriert eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen leeseitigen Wärmeschutzschilds einer Weltraumkapsel.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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Die in 1 gezeigte Weltraumkapsel 1 weist eine Luvseite 2 und eine Leeseite 3 auf. Dabei beziehen sich diese Bezeichnungen auf die Orientierung der Luvseite 2 in Flugrichtung der Raumkapsel 1 beim Eintritt aus dem Weltraum in eine Planetenatmosphäre. Die Leeseite 3 ist entsprechend die durch die Luvseite 3 bei diesem Eintritt abgeschattete Seite der Raumkapsel 1. Die Luvseite 2 der Raumkapsel 1 weist ein TPS (Thermal Protection System) 4 aus einem hochbelastbaren, ablatierenden Material auf, das bei dem Eintritt in die Plantetenatmosphäre kontrolliert abbrennt, um die auftretenden thermischen Belastungen abzufangen. Die Leeseite 3 der Raumkapsel 1, die beim Eintritt in eine Plantetenatmosphäre thermisch weniger als die Luvseite 2 belastet wird, ist durch ein Wärmeschutzschild 5 aus Paneelen 6 geschützt. Die Paneele sind hier jeweils zu dritt hintereinander längs der Längsachse 7 der Raumkapsel 1 und in um die Längsachse 7 umlaufenden Ringen nebeneinander vorgesehen. Dabei überlappen sich die längs der Längsachse 7 hintereinander liegenden Paneele 6 teilweise, so dass hier Stufen 8 ausgebildet sind. Die seitlich nebeneinander liegenden Paneele 6 stoßen hier stumpf aneinander an. Eine weitere Stufe 9 ist zwischen einer randseitigen Ausrundung 10 des TPS 4 und dem Wärmeschutzschild 5 ausgebildet.
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Die Stufen 8 und 9 haben eine Stabilisierung der dynamischen Flugstabilität der Raumkapsel 1 zu Folge, indem sie für kontrollierte Strömungsablösungen 11 ihrer Überströmung 12 sorgen, wie in 2 für eine Stufe 8 skizziert ist. 2 skizziert überdies die geschützte Lage einer Dichtung 13 zwischen zwei einander unter Ausbildung der Stufe 8 überlappenden Paneelen 6.
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3 skizziert eine Raumkapsel 1, die insoweit von der Ausführungsform gemäß 1 abweicht, als dass die Paneele 6 des Wärmeschutzschildes 5 einander hier nicht nur längs der Längsachse 7 sondern auch quer dazu überlappen, wobei Paneele 16, die beim Eintritt der Weltraumkapsel 1 in eine Planetenatmosphäre der Planetenatmosphäre zugekehrt sind, eine Art First der schindelförmigen Anordnung der Paneele 6 ausbilden. Bei der Weltraumkapsel 1 gemäß 3 entstehen dadurch zusätzliche Stufen 14 in Querrichtung zu der Längsachse 7.
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4 skizziert wie die Stufen 8 und 14 zusammenwirken, um die Strömungsablösungen 11 der Überströmung 12 in Bereichen 15 zu ”fangen”, so dass ein Wandern der Strömungsablösungen 11 und damit verbundene Instabilitäten der Raumkapsel 1 beim Eintritt in eine Planetenatmosphäre verhindert werden.
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5 skizziert eine weitere Ausführungsform des Wärmeschutzschilds 5, wobei es sich um eine Variation des Wärmeschutzschilds 5 gemäß 3 handelt, bei dem Stufen 8 und 14 ausgebildet sind. Hier überdeckt das an das TPS 4 angrenzende Paneel 16 das in Überströmungsrichtung der Überströmung 12 hinter ihm liegende Paneel 16 und zwei seitlich angrenzende Paneele 6. Dasselbe gilt für das von ihm überdeckte Paneel 16. Nebeneinanderanordnungen der Paneele 6 sind dabei auf kleine Bereiche 17 beschränkt. Weiter ist in 5 die sich von der Längsachse 7 um einen Eintrittswinkel 18 unterscheidende Flugrichtung 19 der Raumkapsel 1 beim Wiedereintritt in eine Planetenatmosphäre eingezeichnet. Die Längsachse 7 und die Flugrichtung 19 spannen eine Längsmittelebene 20 der Raumkapsel 1 auf, die die Paneele 16 in einer Mantellinie 21 schneidet. Das Wärmeschutzschild 5 ist spiegelsymmetrisch zu dieser Längsmittelebene 20 ausgebildet. Ebenso verhält es sich mit der Überströmung 12 und den Strömungsablösungen 11 beim Eintritt der Raumkapsel 1 in eine Planetenatmosphäre.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Raumkapsel
- 2
- Luvseite
- 3
- Leeseite
- 4
- TPS
- 5
- Wärmeschutzschild
- 6
- Paneel
- 7
- Längsachse
- 8
- Stufe
- 9
- Stufe
- 10
- Ausrundung
- 11
- Ablösung
- 12
- Überströmung
- 13
- Dichtung
- 14
- Stufe
- 15
- Bereich
- 16
- Paneel
- 17
- Bereich
- 18
- Eintrittswinkel
- 19
- Flugrichtung
- 20
- Längsmittelebene
- 21
- Mantelllinie
