DE102011000431A1

DE102011000431A1 - Hitzeschutzvorrichtung mit isolierenden Befestigungslaschen

Info

Publication number: DE102011000431A1
Application number: DE102011000431A
Authority: DE
Inventors: Florent Girard
Original assignee: SNECMA Propulsion Solide SA
Current assignee: ArianeGroup SAS
Priority date: 2010-02-02
Filing date: 2011-02-01
Publication date: 2011-08-04
Anticipated expiration: 2031-02-02
Also published as: FR2955910B1; DE102011000431B4; ITTO20110081A1; IT1403804B1; FR2955910A1

Abstract

Eine Hitzeschutzvorrichtung (20) ist dazu bestimmt, an einer zu schützenden Struktur angebracht zu werden. Die Vorrichtung umfaßt eine Platte (21), welche geeignet ist, an ihrer Außenseite (21e) einen Wärmestrom aufzunehmen.
Die Vorrichtung umfaßt ferner Versteifungen (22a–22d), die an die Kanten der Platte (21) angrenzen, wobei diese Versteifungen von der Innenseite (21f) der Platte ausgehend senkrecht verlaufen. Jede Versteifung ist durch eine Befestigungslasche (23a–23d) fortgesetzt, wobei jede Befestigungslasche wenigstens einen Vertikalschenkel (231a–231d) aufweist, der an der entsprechenden Versteifung befestigt ist. Jeder Vertikalschenkel ist durch eine sich zum Inneren der Platte (21) erstreckende Erweiterung (132a–132d; 232a–232d) fortgesetzt. Jede Erweiterung ist durch eine Basis zum Befestigen (233a–233d) der Platte an der zu schützenden Struktur fortgesetzt.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Thermalschutzsysteme (TPS), wie derjenigen an Fahrzeugen für den Wiedereintritt in die Atmosphäre. Diese Art von System ist im allgemeinen von einem Hitzeschild aus hochtemperaturbeständigem Verbundwerkstoff gebildet, der das Fahrzeug vor den Wärmeströmen schützt, mit denen es im Laufe seines Fluges in Berührung kommt. Diese Art von Schutzschild besteht aus einer Vielzahl aneinandergrenzender Vorrichtungen, die an der zu schützenden Wand des Fahrzeugs befestigt sind.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1 zeigt eine Hitzeschutzvorrichtung 100, die eine Platte 101 umfaßt, welche geeignet ist, an ihrer Außenseite einen Wärmestrom aufzunehmen. Die Platte ist ferner innenseitig mit einer Versteifungswand 102 versehen, die durch Befestigungslaschen 103 verlängert ist, welche die Befestigung der Platte an der zu schützenden kalten Struktur des Fahrzeugs ermöglichen. Wie in 2 dargestellt, ist die Hitzeschutzvorrichtung 100 an einer kalten Struktur 110 dadurch angebracht, daß die Laschen 103 an Befestigungsbügeln 111 befestigt sind, die mit Hilfe von Befestigungsorganen 106, beispielsweise vom Typ Schraube/Mutter, mit der kalten Struktur fest verbunden sind. Zum Ausbilden einer Wärmebarriere zwischen der Außenseite der Platte 101 und der kalten Struktur 110 umfaßt die Vorrichtung außerdem eine Dichtung 104, welche den zwischen der Platte 101 und der Basis der Befestigungslaschen 103 vorhandenen Raum umgibt, sowie wenigstens einen Block 105 aus wärmedämmendem Material, der innerhalb der Versteifungswände 102 zwischen der Innenseite der Platte und der Wand der zu schützenden Struktur angeordnet ist. Der Wärmeisolationsblock 105 ist aus leichten Materialien, wie zum Beispiel Dämmwolle gefertigt.
3 zeigt eine kalte Struktur 110, beispielsweise eine Wand eines Fahrzeugs für den Wiedereintritt in die Atmosphäre, die mit einem Hitzeschutzsystem 200, das von einer Vielzahl von Hitzeschutzvorrichtungen 100 der 2 gebildet ist, ausgestattet ist. Die Platten 101 der Vorrichtungen 100 sind mittels der Befestigungslaschen 103 und über Bügel 111 an der kalten Struktur 110 einander benachbart angebracht.
Nach Anbringen der Vorrichtungen 100 verbleiben zwischen den Platten 101 von zwei benachbarten Vorrichtungen 100 Zwischenräume I bestehen. Bei einem Wiedereintritt in die Atmosphäre strömt ein Wärmestrom F_HT entlang des Schutzschildes des von den Platten 101 gebildeten Systems 200. Ein Teil P_FHT dieses Stroms kann dann über die Zwischenräume I direkt unter die Platten eindringen und kann einen heißen Strom F_Cf, auch als ”Sneak Flow” bezeichnet, erzeugen, der an der Wand der kalten Struktur 110 zirkuliert. Dieser heiße Strom F_Cf führt der zu schützenden kalten Struktur Wärme zu und beeinträchtigt somit den Hitzeschutz, der durch die Vorrichtungen 100 gebildet werden soll. Ferner führt dieser heiße Strom (”Sneak Flow”) auch den Befestigungsorganen, welche die Laschen der Hitzeschutzvorrichtungen mittels der Bügel mit der kalten Struktur verbinden, Wärme zu. Durch diese Erwärmung können die Befestigungsorgane und insbesondere der im Bereich der Befestigungslaschen befindliche Schraubenkopf, der Temperaturen von über 1000°C erreichen kann, zerstört werden.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die vorgenannten Nachteile zu beheben und eine Hitzeschutzvorrichtung auszubilden, die ermöglicht, das Eindringen von heißen Gasen unter die Hitzeschutzvorrichtungen zu verringern und die Organe zum Befestigen dieser Vorrichtungen an der zu schützenden kalten Struktur besser zu schützen.
Erreicht werden diese Ziele dank einer Hitzeschutzvorrichtung, die eine Platte umfaßt, welche geeignet ist, an ihrer Außenseite einen Wärmestrom aufzunehmen, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner Versteifungen umfaßt, die an die Kanten der Platte angrenzen, wobei die Versteifungen von der Innenseite der Platte ausgehend senkrecht verlaufen, und daß wenigstens eine Versteifung durch eine Befestigungslasche fortgesetzt ist, wobei jede Befestigungslasche wenigstens einen Vertikalschenkel aufweist, der an der entsprechenden Versteifung befestigt ist, wobei der Vertikalschenkel durch eine sich zum Inneren der Platte erstreckende Erweiterung fortgesetzt ist, wobei die Erweiterung ihrerseits durch eine Basis zum Befestigen der Platte an der zu schützenden Struktur fortgesetzt ist.
So ermöglicht das Vorliegen von an die Kanten der Platte angrenzenden Versteifungen und deren Verlängerung durch Befestigungslaschen, ein Hindernis auszubilden, das Wärmeströme daran hindert, direkt unter die Hitzeschutzplatte einzudringen. Da die Befestigungslaschen eine Erweiterung zum Inneren der Platte umfassen, die mit einer Befestigungsbasis abschließt, werden außerdem die im Bereich der Basis vorhandenen Befestigungsorgane besser geschützt, da die erfindungsgemäße Lasche ein Schutzschild gegenüber den Wärmeströmen bildet, die unter die Platte dringen können. Darüber hinaus verlängert die Erweiterung der Befestigungslaschen den Wärmeleitweg zwischen der Platte und der Befestigungsbasis, was ermöglicht, auch die Befestigungsorgane vor den durch Leitung übertragenen Temperaturen zu schützen.
Unter einem Aspekt der Erfindung weist jede Versteifung eine Öffnung auf, die mit einer an den Befestigungsbasen der Laschen vorhandenen Aufnahmeöffnung fluchtet und die dazu bestimmt ist, ein Befestigungsorgan aufzunehmen. Jede Öffnung bildet folglich einen Durchgang, der ermöglicht, das Befestigungsorgan mit einem Spann-/Lösewerkzeug bequem zu erreichen, was das Anbringen/Demontieren der Hitzeschutzvorrichtungen der Erfindung erheblich erleichtert.
Nach einer Ausführungsform umfassen die Befestigungslaschen eine Erweiterung, die im wesentlichen parallel zur Innenseite der Platte verläuft.
Nach einer weiteren Ausführungsform umfaßt die Erweiterung eine Stufe, an der sich ein Spann-/Lösewerkzeug abstützen kann, um in Richtung der Aufnahmeöffnung der Befestigungsbasis geführt zu werden.
Ein Ziel der Erfindung ist auch ein Thermalschutzsystem, das dazu bestimmt ist, eine Struktur zu schützen, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Vielzahl von erfindungsgemäßen Hitzeschutzvorrichtungen umfaßt, wobei die Vorrichtungen aneinandergrenzend angeordnet sind.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Fahrzeug für den Wiedereintritt in die Atmosphäre, das wenigstens eine vor einem Wärmestrom zu schützende Struktur aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner ein erfindungsgemäßes Thermalschutzsystem umfaßt, wobei das System an der zu schützenden Struktur angebracht ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Merkmale sowie Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung von besonderen, als nicht einschränkende Beispiele gegebenen Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen hervorgehen, hierin zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht einer Platte einer Hitzeschutzvorrichtung gemäß dem Stand der Technik,
2 eine Schnittansicht einer an einer kalten Struktur angebrachten Hitzeschutzvorrichtung gemäß dem Stand der Technik,
3 eine schematische Schnittansicht, die das Phänomen des heißen Stroms (”Sneak Flow”) mit den Hitzeschutzvorrichtungen des Standes der Technik zeigt,
4A bis 4C perspektivische Ansichten einer Platte einer Hitzeschutzvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
5A und 5B perspektivische Ansichten einer Platte einer Hitzeschutzvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
6 eine vergrößerte Ansicht, welche das Anbringen/Demontieren einer in den 4A und 4B dargestellten Hitzeschutzvorrichtung zeigt,
7 eine vergrößerte Ansicht, die das Anbringen/Demontieren einer in den 5A und 5B dargestellten Hitzeschutzvorrichtung zeigt,
8A bis 8C ein Beispiel für die Herstellung einer in den 5A und 5B dargestellten Hitzeschutzvorrichtung,
9 eine perspektivische Ansicht eines von einer Vielzahl von Vorrichtungen der 5A und 5B gebildeten Thermalschutzsystems,
10 eine perspektivische Ansicht des Systems der 9, welche die Wirkung zeigt, die durch die erfindungsgemäßen Hitzeschutzvorrichtungen erzeugt wird, wenn ein Wärmestrom unter die Platten der Vorrichtungen dringt.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die durch die vorliegende Erfindung vorgeschlagene Lösung besteht darin, das Eindringen von Wärmeströmen unter die Platten der Hitzeschutzvorrichtungen größtmöglich zu reduzieren und die eventuell eingedrungenen Wärmeströme daran zu hindern, die Befestigungsorgane der Vorrichtungen direkt zu erreichen.
Die 4A und 4B zeigen eine Hitzeschutzvorrichtung 10 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Funktion einer solchen Vorrichtung ist es, eine Struktur, wie ein Fahrzeug für den Wiedereintritt in die Atmosphäre oder einen Kryobehälter, vor den in der Betriebsumgebung auftretenden Wärmeströmen zu schützen. Zu diesem Zweck umfaßt die Hitzeschutzvorrichtung 10 zunächst eine quaderförmige Platte 11, die an ihrer Außenseite 11e den Wärmestrom aufnimmt. Die Platte kann flach sein oder eine Krümmung aufweisen. Die Platte 11 erfüllt mehrere Funktionen, nämlich die Funktion eines Reflektionsschutzschildes, eine Widerstandsfunktion gegenüber mechanischen Belastungen (Unterschied zwischen Außen- und Innendruck, Strukturverformungen etc.), eine Funktion zur Kontrolle der Außenform (Aerodynamik) und eine Funktion zum Schutz des Isolationsmaterials vor der Außenumgebung (Abrieb, schnelle Strömungen, Plasma etc.).
Aufgrund der Temperaturniveaus, denen die Platte ausgesetzt ist (um die 1600 bis 1800°C) ist es wichtig, daß letztere weit genug von der zu schützenden kalten Struktur entfernt ist. Zu diesem Zweck ist die Platte 11 mit Versteifungen 12a bis 12d versehen, die unter der Innenseite 11f der Platte 11 senkrecht zu ihr verlaufen und sich direkt von den Kanten der Platte 11 aus erstrecken. Die Versteifungen 12a bis 12d bilden somit Randbördelungen der Platte 11.
Bei der hier beschriebenen Ausführungsform sind vier Befestigungslaschen 13a bis 13d jeweils am unteren Ende der Versteifungen 12a bis 12d befestigt. Die Laschen 13a bis 13d sind jeweils von einem Vertikalschenkel 131a bis 131d, der sich in die gleiche Richtung wie die Versteifungen erstreckt, denen sie zugeordnet sind, von einer Erweiterung 132a bis 132d, die sich zum Inneren der Platte 11 erstreckt, und von einer Befestigungsbasis 133a bis 133d gebildet, die entweder senkrecht zu dem entsprechenden Vertikalschenkel 131a bis 131d oder unter einem beliebigen Winkel gegenüber diesen Vertikalschenkeln, wie in den 4A und 4B dargestellt, ausgerichtet ist.
Jede Befestigungsbasis, respektive 133a bis 133d, weist eine Öffnung, respektive 134a bis 134d auf, die das Durchführen eines Befestigungsorgans vom Typ Schraube/Mutter ermöglicht, um die Hitzeschutzvorrichtung an einer zu schützenden kalten Struktur zu befestigen, wie nachstehend im einzelnen beschrieben. Nach einem besonderen Merkmal der Erfindung sind in den Versteifungen 12a bis 12d jeweils Öffnungen 135a bis 135d ausgebildet. Diese Öffnungen sind mit den Öffnungen 134a bis 134d fluchtend angeordnet, um das Durchführen eines Spann-/Lösewerkzeugs 150 für das Anbringen/Demontieren der Hitzeschutzvorrichtungen zu ermöglichen, wie in 6 für den Fall der Befestigungslasche 13a dargestellt. Das Spann-/Lösewerkzeug 150 wird von der in der Versteifung 22a ausgebildeten Öffnung 235a aus bis zum Kopf 161a einer in der Öffnung 134a der Befestigungsbasis 133a aufgenommenen Schraube 161 unter die Platte 11 eingeführt. Die Schraube 161 gehört zu einem Organ zur Befestigung 160 der Hitzeschutzvorrichtung an einer (in 6 nicht dargestellten) zu schützenden kalten Struktur.
Die Hitzeschutzvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann ferner Wärmeisolationselemente umfassen. Wie in 4C dargestellt sind Segmente 141, 142, 143 und 144 aus wärmeisolierendem Material unter den Befestigungslaschen 13a, 13b, 13c bzw. 13d angeordnet. Die Segmente 141 bis 144 können aus einem leichten wärmeisolierenden Material, wie einer Dämmwolle ausgebildet sein oder können jeweils aus einem elastisch verformbaren Isoliermaterial, wie einer Faserstruktur oder einem Isolierschaum bestehen, das innerhalb eines mit hochtemperaturbeständigen Fasern, wie Keramikfasern, ausgebildeten Geflechts gehalten ist. Ein Block 145 aus leichtem wärmeisolierendem Material, wie einer Dämmwolle, ist ebenfalls in dem durch die Segmente 141 bis 144 umgrenzten Innenraum angeordnet.
Die Segmente 141 bis 144 und der Block 145 bilden eine Wärmebarriere, die dazu bestimmt ist, die kalte Struktur der Außenseite der Platte 11, welche den Wärmestrom aufnimmt, thermisch zu isolieren. Die Segmente 141 bis 144 ermöglichen außerdem, die Befestigungsorgane, und insbesondere den im Bereich der Befestigungsbasen der Laschen vorhandenen Schraubenkopf, sowohl vor dem Wärmestrom als auch vor dem heißen Strom (”Sneak Flow”) zu schützen.
Die 5A und 5B zeigen eine weitere Ausführungsform einer Hitzeschutzvorrichtung 20, die sich von der zuvor in Verbindung mit den 4A und 4B beschriebenen dadurch unterscheidet, daß die Befestigungslaschen eine andere Form aufweisen.
Die Hitzeschutzvorrichtung 20 umfaßt in gleicher Weise eine quaderförmige Platte 21, die dazu bestimmt ist, an ihrer Außenseite 21e den Wärmestrom aufzunehmen, und die Versteifungen 22a bis 22d aufweist, die sich unter ihrer Innenseite 21f senkrecht und direkt von ihren Kanten aus erstrecken, wodurch die Versteifungen 22a bis 22d Randbördelungen der Platte 21 bilden.
Das untere Ende einer jeden Versteifung 22a bis 22d ist durch vier Befestigungslaschen 23a bis 23d fortgesetzt. Die Laschen 23a bis 23d sind jeweils von einem Vertikalschenkel 231a bis 231d, der sich in die gleiche Richtung wie die Versteifungen erstreckt, denen sie zugeordnet sind, von einer Erweiterung 232a bis 232d, die sich zum Inneren der Platte 21 erstreckt, sowie von einer Befestigungsbasis 233a bis 233d gebildet, die entweder senkrecht zu dem entsprechenden Vertikalschenkel 231a bis 231d oder unter einem beliebigen Winkel gegenüber diesen Vertikalschenkeln, wie in den 5A und 5B dargestellt, ausgerichtet ist.
Jede Befestigungsbasis, respektive 233a bis 233d, weist eine Öffnung, respektive 234a bis 234d auf, die das Durchführen eines Befestigungsorgans vom Typ Schraube/Mutter ermöglicht, um die Hitzeschutzvorrichtung an einer zu schützenden kalten Struktur zu befestigen, wie nachstehend im einzelnen beschrieben. In den Versteifungen 22a bis 22d sind jeweils Öffnungen 235a bis 235d ausgebildet. Diese Öffnungen sind mit den Öffnungen 234a bis 234d fluchtend angeordnet, um das Durchführen eines Spannwerkzeugs für das Anbringen/Demontieren der Hitzeschutzvorrichtungen zu ermöglichen.
Darüber hinaus umfassen bei der hier beschriebenen Ausführungsform die Erweiterungen 232a bis 232d jeweils eine erste Stufe, respektive 2320a bis 2320d, sowie eine zweite Stufe, respektive 2322a bis 2322d, wobei die erste und die zweite Stufe durch eine Setzstufe 2321a bis 2321d untereinander verbunden sind.
Wie in 7 dargestellt, bildet die erste Stufe, hier die erste Stufe 2320a der Erweiterung 232a der Befestigungslasche 23a, eine Führung für ein Spann-/Lösewerkzeug 250. Denn wenn das Spann-/Lösewerkzeug von der in der Versteifung 22a ausgebildeten Öffnung 235a aus unter die Platte eingeführt wird, gelangt dieses an der Kante der ersten Stufe 2320a in Anlage. Bei dieser Ausführung wird das Werkzeug 250 automatisch in Richtung des Kopfes 261a einer in der Öffnung 234a der Befestigungsbasis 233a aufgenommenen Schraube 261 geführt, wobei die Schraube 261 zu einem Organ zur Befestigung 260 der Hitzeschutzvorrichtung an einer zu schützenden kalten Struktur 30 gehört.
Die Hitzeschutzvorrichtung der Erfindung kann aus einem der folgenden Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe (CMC) gebildet sein, nämlich C/SiC-Verbundwerkstoff (Verstärkung aus Kohlenstoffasern und Matrix aus Siliziumkarbid), C/C-SiC-Verbundwerkstoff (Verstärkung aus Kohlenstoffasern und Matrix mit einer Kohlenstoffphase, im allgemeinen möglichst nahe den Fasern, und einer Siliziumkarbidphase), SiC/SiC-Verbundwerkstoff (Verstärkungsfasern und Matrix aus Siliziumkarbid) und Oxid/Oxid-Verbundwerkstoff. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung besteht die Vorrichtung vorzugsweise aus C/SiC-Werkstoff.
Die Hitzeschutzvorrichtung kann auch aus feuerfestem Metall und allgemeiner aus jedwedem Material (beispielsweise einem Thermoplasten) gebildet sein, das geeignet ist, den vorgesehen Einsatztemperaturen standzuhalten.
Die 8A bis 8C veranschaulichen ein Beispiel für die Herstellung eines Vorformlings einer Hitzeschutzvorrichtung, die der vorstehend in Verbindung mit den 5A und 5B beschriebenen Vorrichtung 20 entspricht.
Um die Hitzeschutzvorrichtung aus CMC-Werkstoff herzustellen, wird ein Faservorformling aus feuerfesten Fasern (Kohlenstoff oder Keramik) ausgebildet, der im wesentlichen die Form der herzustellenden Vorrichtung aufweist. Der Faservorformling, der die Verstärkung einer Hitzeschutzvorrichtung aus CMC bildet, wird aus Bestandteilen des Faserstrukturvorformlings ausgebildet, welche Teile untereinander verbunden und an einem Werkzeugelement gestaltet werden, um einen vollständigen Hitzeschutzvorrichtungsvorformling zu bilden.
Wie in 8A dargestellt, wird zunächst eine Platte 300 verwendet, die einen mittleren Abschnitt 301 aufweist, welcher dazu bestimmt ist, die Platte 21 zu bilden, sowie zwei Klappen 302 und 303, welche dazu bestimmt sind, die Versteifungen 22a bzw. 22c der Vorrichtung 20 (5A und 5B) zu bilden. In 8B werden zwei zusätzliche Platten 310 und 320 an den beiden Seiten der Platte 300, die nicht die Klappen 302 und 303 aufweisen, angefügt, um die Versteifungen 22b bzw. 22d der Vorrichtung 20 zu bilden. Genauer gesagt umfaßt jede Platte 310 bzw. 320 eine Hauptklappe 311 bzw. 321, die die Versteifung 22d bzw. 22b bildet, zwei Nebenklappen 312 und 313 bzw. 322 und 323, die an den beiden Klappen 302 bzw. 303 der Platte 300 befestigt werden, sowie einen mittleren Abschnitt 314 bzw. 324, der an dem mittleren Teil 301 der Platte 300 befestigt wird.
In 8C werden nun vier Teile 330 bis 360, die den Befestigungslaschen 23a bis 23d entsprechen, an der Klappe 302, der Hauptklappe 311, der Klappe 303 bzw. der Hauptklappe 321 befestigt.
Die Bestandteile des Vorformlings der Hitzeschutzvorrichtung 20, nämlich die Platten 300 bis 320 sowie die Teile 330 bis 360 werden aus einer Keramikfaserstruktur, die aus Keramikfasern ausgebildet ist, erhalten.
Die Verbindung zwischen den Bestandteilen des Vorformlings kann durch Nähen, durch Einziehen von Fäden, Nadeln oder Stäbchen oder aber durch Kleben hergestellt werden, wobei die Verbindung durch gemeinsames Verdichten der Bestandteile des Faservorformlings nach ihrem Zusammensetzen vervollständigt wird.
Die Bestandteile des Vorformlings der Hitzeschutzvorrichtung können durch eine Keramikmatrix vor ihrem Zusammenfügen verfestigt werden, um ihre Montage zu erleichtern und um die Verwendung eines Gestaltungswerkzeugs bei der Verdichtung des Vorformlings zu vermeiden.
Der Vorformling wird anschließend auf wohlbekannte Weise auf flüssigem und/oder gasförmigem Weg verdichtet.
Das Verdichten auf flüssigem Weg besteht darin, den Vorformling mit einer flüssigen Zusammensetzung, die einen Präkursor des Materials der Matrix enthält, zu imprägnieren. Der Präkursor liegt üblicherweise in Form eines Polymers, wie eines Harzes, eventuell in einem Lösungsmittel verdünnt vor. Die Umwandlung des Präkursors in Keramik erfolgt durch Wärmebehandlung, nach Entfernen des eventuellen Lösungsmittels und Vernetzen des Polymers. Es können mehrere aufeinanderfolgende Imprägnierungszyklen durchgeführt werden, um den gewünschten Verdichtungsgrad zu erreichen. Beispielsweise können flüssige Präkursoren von Kohlenstoff Harze mit relativ hohem Koksgehalt, wie Phenolharze sein, während flüssige Präkursoren von Keramik, insbesondere SiC, Harze vom Typ Polycarbosilan (PCS) oder Polytitanocarbosilan (PTCS) sein können.
Das Verfahren auf gasförmigem Weg besteht in der chemischen Gasphaseninfiltration. Der Faservorformling, welcher der herzustellenden Struktur entspricht, wird in einem Ofen plaziert, in den eine Reaktionsgasphase eingeleitet wird. Der Druck und die Temperatur, die in dem Ofen herrschen, sowie die Zusammensetzung der Gasphase werden derart gewählt, daß sie die Diffusion der Gasphase innerhalb der Poren des Vorformlings ermöglichen, um dort die Matrix durch Abscheiden – bei Kontakt mit den Fasern – eines festen Materials zu bilden, das aus einem Abbau eines Bestandteils der Gasphase oder aus einer Reaktion zwischen mehreren Bestandteilen hervorgeht. Beispielsweise können gasförmige Präkursoren des Kohlenstoffs Kohlenwasserstoffe, wie Methan und/oder Propan sein, die Kohlenstoff durch Cracken liefern, und kann ein gasförmiger Präkursor von Keramik, insbesondere SiC, Methyltrichlorsilan (MTS) sein, das SiC durch Abbau des MTS liefert.
Es gibt auch gemischte Verfahren, die sowohl flüssige als auch gasförmige Wege umfassen. Vor dem Verdichten kann der Vorformling durch Teilverdichtung mittels einer Verfestigungsmatrix verfestigt werden, um ihm eine Beständigkeit seiner Formung zu verleihen.
9 zeigt ein Thermalschutzsystem 50 (TPS), das von einer Vielzahl von Hitzeschutzvorrichtungen 20, die vorstehend in den 5A und 5B beschrieben sind, gebildet ist. Die Vorrichtungen 20 sind an einer zu schützenden kalten Struktur 30, wie der Wand eines Fahrzeugs für den Wiedereintritt in die Atmosphäre, durch mit der Struktur fest verbundene Bügel 31 befestigt.
Genauer gesagt ist, wie in 7 dargestellt, jede Befestigungsbasis der Laschen, hier die Befestigungsbasis 233a der Lasche 23a, an einem mit der kalten Struktur 30 fest verbundenen Bügel 31 mittels eines Befestigungsorgans 260 befestigt, das eine in der Öffnung 234a aufgenommene Schraube 261 und eine Mutter 262 umfaßt, wobei zwischen der Befestigungsbasis 233a und dem Bügel 31 eine Unterlegscheibe 263 aus wärmeisolierendem Material angeordnet ist. Das Anbringen oder das Demontieren der Hitzeschutzvorrichtung 20 wird dadurch vollzogen, daß ein Spann-/Lösewerkzeug 250 durch die in der Versteifung 22a ausgebildete Öffnung 235a bis zum Kopf 261a der Schraube 261 hindurchgeführt wird, wobei das Werkzeug 250 durch die erste Stufe der Befestigungslasche, nämlich bei dem in 7 dargestellten Beispiel die erste Stufe 2320a der Erweiterung 232a der Befestigungslasche 23a, geführt wird.
Wie in 10 dargestellt, bilden die Hitzeschutzvorrichtungen 20, sobald sie an der zu schützenden kalten Struktur 30 angebracht sind, eine quasi durchgehende Schutzwand an der Oberfläche des Thermalschutzsystems 50, es verbleiben lediglich kleine Zwischenräume I zwischen den Platten 21 von zwei benachbarten Vorrichtungen. 10 zeigt die durch die Versteifungen 22a bis 22d und die Laschen 23a bis 23d erzeugte Wirkung, wenn ein Wärmestrom F_HT entlang dem Schutzschild des durch die Platten 21 gebildeten Systems 50 strömt. Wie zuvor erläutert, kann nun ein Teil P_FHT dieses Stroms über die Zwischenräume I unter die Platten dringen und einen heißen Strom (”Sneak Flow”) erzeugen. Aufgrund des Vorhandenseins der Versteifungen als Randbördelung der Platten 21 dringt der heiße Strom ”Sneak Flow”) F_HT, der aus dem zwischen zwei benachbarten Hitzeschutzvorrichtungen eingedrungenen Wärmestrom stammt, nicht direkt unter die Platten 21, und so kann dessen Temperatur bereits gesenkt werden, bevor er die Innenseite der Platte oder die kalte Struktur erreicht.
Ferner bildet die Form der Befestigungslaschen und ihre Befestigung direkt an den Versteifungen ein starkes Hindernis gegenüber dem heißen Strom F_cf, das dessen Zugang zu der kalten Struktur erschwert. Darüber hinaus ist der Kopf der Schrauben der Befestigungsorgane vor den Phänomenen einer Konvektion der heißen Gase dank der Befestigungslaschen, die das direkte Eindringen dieser Gase begrenzen, besser geschützt.
Was die Erhitzung durch Leiten von den Platten über die Bügel zu den Befestigungsorganen und zu der kalten Struktur anbelangt, ermöglichen schließlich die erfindungsgemäßen Befestigungslaschen, die übertragene Wärme durch Vergrößerung des Wärmeleitweges signifikant zu verringern.
Die Hitzeschutzvorrichtung läßt sich sehr leicht in die bestehenden Systeme integrieren und verändert deren Geometrie nur sehr wenig, insbesondere da sie keine Veränderung der üblicherweise verwendeten Befestigungsmittel (Bügel zum Befestigen an der zu schützenden kalten Struktur) erfordert. Ferner hat die neue Struktur der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine sehr geringe Auswirkung auf deren Gesamtmasse, was insbesondere im Bereich der Raumfahrt ein sehr bedeutendes Kriterium ist.

Claims

Hitzeschutzvorrichtung (10; 20), die dazu bestimmt ist, an einer zu schützenden Struktur (30) angebracht zu werden, wobei die Vorrichtung eine Platte (11; 21) umfaßt, welche geeignet ist, an ihrer Außenseite (11e, 21e) einen Wärmestrom aufzunehmen, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner Versteifungen (12a–12d; 22a–22d) umfaßt, die an die Kanten der Platte angrenzen, wobei die Versteifungen von der Innenseite (11f; 21f) der Platte ausgehend senkrecht verlaufen, und daß wenigstens eine Versteifung durch eine Befestigungslasche (13a–13d; 23a–23d) fortgesetzt ist, wobei jede Befestigungslasche wenigstens einen Vertikalschenkel (131a–131d; 231a–231d) aufweist, der an der entsprechenden Versteifung befestigt ist, wobei der Vertikalschenkel durch eine sich zum Inneren der Platte erstreckende Erweiterung (132a–132d; 232a–232d) fortgesetzt ist, wobei die Erweiterung durch eine Basis zum Befestigen (133a–133d; 233a–233d) der Platte an der zu schützenden Struktur fortgesetzt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Befestigungsbasis (133a–133d; 233a–233d) der Laschen (13a–13d; 23a–23d) eine Öffnung zur Aufnahme (134a–134d; 234a–234d) eines Elements (261) eines Befestigungsorgans (260) umfaßt und daß jede Versteifung (12a–12d; 22a–22d) wenigstens eine Öffnung (135a–135d; 235a–235d) aufweist, die mit der Aufnahmeöffnung der an der Versteifung vorhandenen Befestigungslasche fluchtet.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erweiterung (132a–132d) sich im wesentlichen parallel zur Innenseite der Platte erstreckt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erweiterung (232a–232d) eine Stufe (2320a–2320d) aufweist, die eine Führung für ein Spann-/Lösewerkzeug (250) in Richtung der Befestigungsbasis bildet:
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus Keramikmatrix-Verbundwerkstoff gefertigt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus Verbundwerkstoff mit Kohlenstoffaserverstärkung und Siliziumkarbidmatrix gefertigt ist.
Thermalschutzsystem (50), das dazu bestimmt ist, eine Struktur zu schützen, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Vielzahl von Hitzeschutzvorrichtungen (10; 20) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 umfaßt, wobei die Vorrichtungen aneinandergrenzend angeordnet sind.
Fahrzeug für den Wiedereintritt in die Atmosphäre, das wenigstens eine vor einem Wärmestrom zu schützende Struktur (30) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner ein Thermalschutzsystem (50) nach Anspruch 7 umfaßt, wobei das System an der zu schützenden Struktur angebracht ist.