DE102015112636A1 - Mantel einer Festbrennstoffrakete, Verfahren zu dessen Herstellung, Festbrennstoffrakete und Vorrichtung - Google Patents

Mantel einer Festbrennstoffrakete, Verfahren zu dessen Herstellung, Festbrennstoffrakete und Vorrichtung Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines innenseitig mit einer thermischen Isolation versehenen Mantels einer Festbrennstoffrakete, umfassend Bereitstellen einer Stützeinrichtung, Aufbringen eines Isolationsmaterials außenseitig auf die Stützeinrichtung zum Bereitstellen einer oder als Ausgangsmaterial für eine druckfeste(n) thermische(n) Isolationsschicht, Aufbringen eines Band- oder Filamentmaterials außenseitig auf das Isolationsmaterial, wobei zumindest das Band- oder Filamentmaterial zum Erzielen eines starren, an der Außenseite der Isolationsschicht anliegenden tragenden Abschnittes des Mantels ausgehärtet wird. Außerdem betrifft die Erfindung einen Mantel einer Festbrennstoffrakete, eine Festbrennstoffrakete und eine Vorrichtung zum Herstellen eines Mantels einer Festbrennstoffrakete.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Mantels einer Festbrennstoffrakete, einen derartigen Mantel, eine Festbrennstoffrakete und eine Vorrichtung.
  • Festbrennstoffraketen werden auch als SRM bezeichnet, eine Abkürzung für "Solid Rocket Motor".
  • Festbrennstoffraketen kommen beispielsweise als sogenannte "Boosterraketen" zum Einsatz, als welche sie bei Trägerraketen zur Ergänzung von deren Haupttriebwerk verwendet werden, um beim Start den nötigen Schub bereitzustellen. Eine Festbrennstoffrakete umfasst einen innenseitig mit einer thermischen Isolation versehenden Mantel, dessen äußere, tragende Struktur bei herkömmlichen Festbrennstoffraketen aus einem Metall besteht, insbesondere Stahl. Die äußere tragende Struktur wird nach der Herstellung innenseitig mit der thermischen Isolation ausgekleidet, die aus einem Elastomermaterial besteht. Der isolierte Mantel schließt den Festbrennstoff ein, wobei die Isolation dazu dient, eine Schnittstelle zwischen dem tragenden Abschnitt des Mantels und dem Festbrennstoff zu bilden. Die thermische Belastung auf die äußere tragende Struktur soll möglichst gering gehalten werden.
  • Herkömmliche Festbrennstoffraketen, insbesondere Boosterraketen, bewähren sich in der Praxis. Dennoch wäre es wünschenswert, eine Festbrennstoffrakete, deren Mantel sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung bereitzustellen, um die durch den Einsatz eines Stahlmantels bedingte hohe Masse der Festbrennstoffrakete zu verringern. Eine Verringerung der Masse der Boosterrakete würde zu einer Steigerung der Nutzlast der Trägerrakete führen. Die erheblichen Kosten für den Transport von Gütern ins All (in der Größenordnung von 104 €/kg bei einer Ariane 5-Rakete) könnten dadurch gesenkt werden.
  • Besonders wünschenswert wäre auch, die Kosten für die Herstellung eines mit einer Isolation versehenen Mantels gering zu halten, beispielsweise durch Vereinfachen und/oder Einsparen von Herstellungsschritten. Idealerweise könnten die Vorteile einer Kosteneinsparung und einer Reduzierung der Masse des Mantels gemeinsam erzielt werden.
  • Die Erfindung wird nachfolgend insbesondere am Beispiel einer Boosterrakete erläutert, ist jedoch nicht auf diese Anwendung beschränkt.
  • Unter einer Rakete wird vorliegend ein Flugkörper mit Rückstoßantrieb verstanden, der frei fliegend sein kann oder von einem weiteren, von der Rakete angetriebenen Flugkörper umfasst, an diesem gehalten oder in diesen integriert sein kann.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen eines innenseitig mit einer thermischen Isolation versehenen Mantels einer Festbrennstoffrakete bereitzustellen, der eine verringerte Masse aufweist und/oder welches Verfahren eine Reduktion der Herstellungskosten ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Herstellen eines innenseitig mit einer thermischen Isolation versehenen Mantels einer Festbrennstoffrakete gelöst, umfassend die folgenden Schritte:
    • – Bereitstellen einer Stützeinrichtung;
    • – Aufbringen eines Isolationsmaterials außenseitig auf die Stützeinrichtung zum Bereitstellen einer oder als Ausgangsmaterial für eine druckfeste(n) thermische(n) Isolationsschicht;
    • – Aufbringen eines Band- oder Filamentmaterials außenseitig auf das Isolationsmaterial;
    wobei zumindest das Band- oder Filamentmaterial zum Erzielen eines starren, an der Außenseite der Isolationsschicht anliegenden Mantels ausgehärtet wird.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist vorgesehen, die Schritte zum Herstellen des mit der Isolation versehenen Mantels im Vergleich zu einem herkömmlichen Herstellungsverfahren umzukehren. Bei dem herkömmlichen Verfahren muss die isolierende Elastomerschicht innenseitig in den fertigen äußeren tragenden Abschnitt des Mantels (nachfolgend auch als tragende Struktur bezeichnet) eingebracht werden. Demgegenüber sieht das erfindungsgemäße Verfahren vor, das Isolationsmaterial außenseitig auf einen durch die Stützvorrichtung gebildeten Kern aufzubringen, woraufhin das Band- oder Filamentmaterial außenseitig auf das Isolationsmaterial oder die bereits unter dessen Einsatz gefertigte Isolationsschicht aufgebracht werden kann. Dies erlaubt es insbesondere, fertigungstechnische Zwischenschritte wie bei dem herkömmlichen Verfahren zu vermeiden, wobei die innen liegende Isolationsschicht und der äußere Abschnitt des Mantels bevorzugt unter Einsatz derselben Vorrichtung gefertigt werden können. Das Verfahren ermöglicht insbesondere die Fertigung des Mantels in seiner Gesamtheit als Hülse. Eine Teilfertigung in axialen und/oder zylindrischen Segmenten, die anschließend zu einem hülsenförmigen Mantel zusammengefügt werden müssen, kann unterbleiben. Möglicherweise problembehaftete Schnittstellen zwischen den Segmenten können vermieden und die Betriebssicherheit erhöht werden.
  • Das Isolationsmaterial, das auf den von der Stützeinrichtung gebildeten Kern aufgebracht wird, kann bereits die Isolationsschicht bilden. Möglich ist es auch, dass das Isolationsmaterial ein Ausgangsmaterial für die Isolationsschicht ist, was sich insbesondere bei Verwendung eines Verbundwerkstoffes im Rahmen eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels des Verfahrens als günstig erweist. Hierauf wird nachfolgend noch eingegangen.
  • Außenseitig auf das Isolationsmaterial bzw. die Isolationsschicht wird das Band- oder Filamentmaterial aufgebracht, das insbesondere formveränderlich ist. Als "Band- oder Filamentmaterial" wird vorliegend speziell ein Material angesehen, das in einer bzw. zwei Raumrichtungen eine Erstreckung aufweist, die wesentlich geringer ist als die Erstreckung in den beiden verbleibenden bzw. der verbleibenden Raumrichtung(en). Das Bandmaterial ist beispielsweise streifenförmig oder bahnförmig und kann in Gestalt von Streifen oder Bahnen durch Auflegen oder Aufwickeln aufgebracht werden. Das Filamentmaterial ist beispielsweise strangförmig und vorzugsweise als Roving gebildet, wobei es bevorzugt durch Wickeln aufgebracht werden kann. Erfindungsgemäß wird zumindest das Band- oder Filamentmaterial ausgehärtet, um einen starren, an der Außenseite der Isolationsschicht anliegenden tragenden Abschnitt des Mantels zu bilden, wobei eine einzelschichtweise und/oder eine mehrschichtweise Aushärtung des Band- oder Filamentmaterials vorgesehen sein kann. "Aushärten zumindest des Band- oder Filamentmaterials" schließt vorliegend insbesondere den nachfolgend im Rahmen eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels erwähnten Fall mit ein, dass ein vorimprägnierter oder durch Infusion infiltrierter Verbund- und speziell Faserverbundwerkstoff zum Bereitstellen der tragenden Struktur des Mantels verwendet und ausgehärtet wird. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere die Möglichkeit gegeben, anstelle eines schweren Metallmantels einen zugleich leichten und starren Mantel herzustellen. Dies ist bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel des Verfahrens zum Beispiel unter Einsatz eines Verbund- und insbesondere Faserverbundwerkstoffs möglich, wodurch die Masse des Mantels und damit der Festbrennstoffrakete erheblich reduziert werden kann.
  • Vorteilhaft bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es auch, dass durch Aufbringen des Band- oder Filamentmaterials außenseitig auf das Isolationsmaterial bzw. die Isolationsschicht eine innige und speziell stoff- und/oder formschlüssige Verbindung mit dem tragenden Abschnitt des Mantels erzielt werden kann. Es ist kein zusätzlicher nachträglicher Aushärtungsschritt erforderlich, wie er bei herkömmlichen Elastomerisolationen angewendet werden muss. Die diesbezüglichen Qualitätssicherungsmaßnahmen können entfallen.
  • Die Isolationsschicht ist druckfest ausgestaltet, worunter vorliegend insbesondere verstanden werden kann, dass die Isolationsschicht den beim Betrieb der Festbrennstoffrakete üblicherweise auftretenden Drücken bei Abbrennen des Festbrennstoffes standhalten kann. Beispielsweise weist die Isolationsschicht eine Druckfestigkeit von mindestens 50 bar auf, bevorzugt mindestens 70 bar und noch bevorzugter mindestens 100 bar. Die Isolationsschicht dient ferner zur Wärmeisolation und als Erosionsschutz, um den Mantel beim Abbrennen des Festbrennstoffes vor übermäßiger Erhitzung zu schützen.
  • Als Band- oder Filamentmaterial wird vorzugsweise ein Fasern umfassendes oder ein aus Fasern bestehendes Material aufgelegt oder aufgewickelt. Insbesondere handelt es sich dabei um einen Faserverbundwerkstoff.
  • Als günstig erweist es sich, wenn als Band- oder Filamentmaterial ein Kohlenstofffasern, Glasfasern und/oder Synthetikfasern, insbesondere Aramidfasern umfassendes Material verwendet wird. Unter Einsatz der Fasern kann beispielsweise ein faserverstärktes Kohlenstoffmaterial zur Ausbildung der tragenden Struktur des Mantels verwendet werden, insbesondere kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK/CFRP/KFK).
  • Zum Auflegen oder Aufwickeln des Band- oder Filamentmaterials kann eine Bandlegeeinrichtung oder eine Wickeleinrichtung zum Einsatz kommen. Diese werden nachfolgend auch als Aufbringeinrichtungen bezeichnet.
  • Es kann vorgesehen sein, dass als Band- oder Filamentmaterial ein mit einem Kunststoff-Matrixmaterial vorimprägniertes Material (Prepreg-Material) verwendet wird. Beispielsweise wird ein Fasern umfassendes oder ein aus Fasern bestehendes Material in einem vorimprägnierten Zustand, getränkt mit einem Kunststoff-Matrixmaterial, auf das Isolationsmaterial bzw. die Isolationsschicht aufgebracht und anschließend ausgehärtet.
  • Das Band- oder Filamentmaterial kann vorimprägniert sein (Prepreg). Alternativ ist denkbar, dass das Band- oder Filamentmaterial vor dem Aufbringen in einem Band mit einem Kunststoff-Matrixmaterial getränkt wird.
  • Es kann auch vorgesehen sein, dass das Band- oder Filamentmaterial trocken aufgebracht wird.
  • Es ist denkbar, insbesondere bei trocken aufgebrachtem Band- oder Filamentmaterial, dass dieses nach dem Aufbringen einem Infusionsverfahren mit einem Kunststoff-Matrixmaterial unterzogen wird und das imprägnierte oder infiltrierte Band- oder Filamentmaterial ausgehärtet wird. Durch Aushärten kann ein starres und zugleich verhältnismäßig leichtes Faserverbundmaterial gebildet werden, wodurch der Mantel im Verhältnis zu herkömmlichen Mänteln eine vergleichsweise geringe Masse aufweist. Es kann zum Beispiel ein Vakuum-Infusionsverfahren für Trockengelege zum Einsatz kommen, bei dem das Matrixmaterial unter Unterdruck in das Band- oder Filamentmaterial gesaugt wird.
  • Zum Aushärten des Band- oder Filamentmaterials kann eine Aushärteinrichtung vorgesehen sein, die beispielsweise einen Autoklavofen oder Temperofen umfasst. Die Aushärteinrichtung kann getrennt von der Infiltriereinrichtung zum Infiltrieren des Kunststoff-Matrixmaterials aufweisen. Denkbar ist auch, dass die Aushärteinrichtung eine Infiltriereinrichtung umfasst.
  • Das Kunststoff-Matrixmaterial kann beispielsweise ein Kunststoffharz sein oder umfassen und durch Erwärmung ausgehärtet werden, beispielsweise unter Einsatz der vorstehend genannten Aushärteinrichtung. Beispiele für vorteilhafte Kunststoffharze sind Epoxidharz oder Phenolharz.
  • Bei einem andersartigen vorteilhaften Ausführungsbeispiel kann vorgesehen sein, dass das Kunststoff-Matrixmaterial ein Thermoplastmaterial ist oder umfasst, das beim Aufbringen erwärmt und durch Erkalten ausgehärtet wird. Das Band- oder Filamentmaterial kann beispielsweise ein Thermoplast-Prepreg-Material sein, das Fasern umfasst und auf das Isolationsmaterial oder die Isolationsschicht aufgewickelt oder aufgelegt wird. Mittels einer Heizeinrichtung kann das Thermoplastmaterial beim Aufbringen erwärmt werden. Dies erlaubt es zum Beispiel, einen Stoffschluss von Schichten des Band- oder Filamentmaterials untereinander und/oder mit dem Isolationsmaterial oder der Isolationsschicht zu erzielen. Durch Erkalten des Thermoplastmaterials erhält der äußere Abschnitt des Mantels seine feste, tragende Struktur. Die Heizeinrichtung kann elektrisch, optisch und/oder chemisch ausgestaltet sein und ist zum Beispiel in die vorstehend erwähnte Bandlegeeinrichtung integriert.
  • Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist es günstig, wenn als Isolationsmaterial ein Fasern umfassendes oder ein aus Fasern bestehendes Material aufgelegt oder aufgewickelt wird. Ebenso wie das Band- oder Filamentmaterial wird das Isolationsmaterial, das bevorzugt band- oder filamentförmig sein kann, günstigerweise mittels einer Bandlegeeinrichtung oder Wickeleinrichtung durch Auflegen bzw. Wickeln auf die Stützeinrichtung aufgebracht. Zu diesem Zweck kann die Stützeinrichtung einen Wickelkern ausbilden mit einer in Umfangsrichtung geschlossenen Auflagefläche. Das aus Fasern bestehende oder Fasern umfassende Isolationsmaterial kann das Ausgangsmaterial für die Isolationsschicht bilden und, darauf wird später eingegangen, durch Vorimprägnieren oder Infiltrieren mit einem Matrixmaterial getränkt und zur Einsparung von Verfahrensschritten bevorzugt zusammen mit dem Band- oder Filamentmaterial ausgehärtet werden.
  • Beispielsweise ist oder umfasst das Isolationsmaterial ein Faserfilzmaterial.
  • Als Fasern werden beispielsweise Kohlenstofffasern und/oder Oxidkeramikfasern verwendet, insbesondere Aluminiumoxidfasern oder Mullitfasern. Oxidkeramikfasern weisen aufgrund ihrer geringen Wärmeleitfähigkeit den Vorteil einer guten thermischen Isolation auf, wobei sie zugleich eine hohe thermische Beständigkeit haben. Günstigerweise sind die Fasern des Isolationsmaterials isotrop ausgerichtet oder weisen zumindest zum Teil eine Ausrichtung in radialer Richtung auf (bezogen auf eine Achse des Mantels und quer zur Auflageebene). Dies erlaubt es, unerwünschtes schichtweises Delaminieren des Isolationsmaterials durch Heißgase beim Abbrennen des Festbrennstoffes weitgehend zu vermeiden.
  • Beim Isolationsmaterial ist bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass ein mit einem Kunststoff-Matrixmaterial vorimprägniertes Material (Prepreg-Material) verwendet wird.
  • Es kann auch vorgesehen sein, dass das Isolationsmaterial trocken aufgebracht wird.
  • Es kann ferner vorgesehen sein, dass das Isolationsmaterial nach dem Aufbringen einem Infusionsverfahren mit einem Kunststoff-Matrixmaterial unterzogen wird und das imprägnierte oder infiltrierte Isolationsmaterial ausgehärtet wird, zum Beispiel mit der vorstehend erwähnten Aushärteinrichtung.
  • Das Kunststoff-Matrixmaterial ist oder umfasst günstigerweise ein Kunststoffharz. Beispiele für vorteilhafte Kunststoffharze sind Epoxidharz oder Phenolharz.
  • Bei einem andersartigen vorteilhaften Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist günstigerweise vorgesehen, dass das Kunststoff-Matrixmaterial ein Thermoplastmaterial ist oder umfasst, das beim Aufbringen erwärmt und durch Erkalten ausgehärtet wird. Beispielsweise wird ein Thermoplast-Prepreg-Material durch Auflegen oder Aufwickeln auf die Stützeinrichtung aufgebracht. Mittels einer Heizeinrichtung kann das erwärmte Thermoplastmaterial verformt werden und ein Stoffschluss der Schichten untereinander erzielt werden. Durch Erkalten kann eine druckfeste, starre Isolationsschicht bereitgestellt werden.
  • Das Thermoplast-Prepreg-Material kann vorzugweise porös sein. Dies wird zum Beispiel durch Druckimprägnierung eines Fasern umfassenden Materials (beispielsweise eines Faserfilzes) mit anschließender Expansion entgegen der Druckrichtung sichergestellt. Durch die poröse Struktur der Isolationsschicht kann die Masse des Mantels weiter verringert werden. Eine poröse Struktur des Isolationsmaterials kann optional bei der Infiltration gefüllt werden.
  • Unter Einsatz des Thermoplastmaterials kann eine starre Isolationsschicht gebildet werden, die ihrerseits einen Kern ausbildet, auf den das Band- oder Filamentmaterial aufgebracht wird.
  • Kommen für das Band- oder Filamentmaterial und für das Isolationsmaterial Fasern umfassende oder aus Fasern bestehende Materialien zum Einsatz ist es besonders vorteilhaft, wenn das Isolationsmaterial und das Band- oder Filamentmaterial nach dem Aufbringen gemeinsam einem Infusionsverfahren mit einem Kunststoff-Matrixmaterial unterzogen werden und wenn die infiltrierten Materialien gemeinsam ausgehärtet werden. Die innen liegende Isolationsschicht und der tragende äußere Abschnitt des Mantels können dadurch in einem gemeinsamen Verfahrensschritt gefertigt werden. Auf diese Weise können die Kosten für die Herstellung des Mantels erheblich reduziert werden.
  • Nach Aufbringen des jeweiligen Isolationsmaterials bzw. Band- oder Filamentmaterials können die auf die Stützeinrichtung aufgebrachten Schichten infiltriert und ausgehärtet werden, zum Beispiel mit der Aushärteinrichtung.
  • Bei einem andersartigen Ausführungsbeispiel kann vorgesehen sein, dass das Isolationsmaterial zum Bilden der Isolationsschicht zunächst mit einem Kunststoff-Matrixmaterial infiltriert und ausgehärtet wird, und dass anschließend das Band- oder Filamentmaterial mit einem andersartigen Kunststoff-Matrixmaterial infiltriert und ausgehärtet wird.
  • Bei einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Isolationsmaterial ein platten- oder schalenförmiger eigensteifer Isolationskörper auf die Stützeinrichtung aufgebracht. Der Isolationskörper kann als Kern dienen, auf den das Band- oder Filamentmaterial aufgebracht werden kann, wodurch der Isolationskörper selbst die Isolationsschicht bereitstellt. Durch die Eigensteifheit des Isolationskörpers kann sichergestellt werden, dass dieser auch nach Aufbringen und Aushärten des Band- oder Filamentmaterials seine Gestalt beibehält. Bei einem beispielsweise hülsenförmig gestalteten Isolationskörper ist dadurch sichergestellt, dass er auch nach Fertigung des Mantels eine definierte Wandstärke aufweist, um die an ihn gesetzten Anforderungen hinsichtlich Druckfestigkeit und Wärmeisolation zu gewährleisten. Ein weiterer Vorteil des eigensteifen Isolationskörpers besteht darin, dass dieser innenseitig nicht vollflächig von der Stützeinrichtung abgestützt zu werden braucht. Die Stützeinrichtung kann dadurch einfacher ausgestaltet werden. Beispielsweise kann eine Stützeinrichtung verwendet werden, die von einem ersten Zustand geringeren Durchmessers in einen zweiten Zustand größeren Durchmessers und umgekehrt überführt werden kann, wobei der Isolationskörper auf die den zweiten Zustand einnehmende Stützeinrichtung aufgebracht wird. Nach dem Fertigen des Mantels kann die Stützeinrichtung in den ersten Zustand überführt und aus dem vom Isolationskörper eingefassten Raum auf einfache Weise entfernt werden.
  • Der Isolationskörper kann, wie erwähnt, hülsenförmig und insbesondere hohlzylindrisch ausgestaltet sein.
  • Ein Stoffschluss mit dem Isolationskörper kann zum Beispiel durch Verwenden eines Thermoplast-Prepreg-Materials für das Band- oder Filamentmaterial sichergestellt werden.
  • Als günstig erweist es sich, wenn der Isolationskörper aus vorgefertigten, modular zusammenfügbaren Segmenten zusammengesetzt wird. Hierbei kann es sich um Platten- und/oder Schalenelemente handeln, die auf die Stützeinrichtung gelegt werden. Fügekanten oder Stöße zwischen den Segmenten können versiegelt werden. Die Segmente werden beispielsweise axial und/oder radial aneinandergefügt, bezogen auf eine Achse des Mantels.
  • Bei einer andersartigen Umsetzung kann vorgesehen sein, dass der Isolationskörper einstückig gebildet ist.
  • Der Isolationskörper kann zum Beispiel aus einem Korkmaterial oder partikelverstärten Material gefertigt sein.
  • Von Vorteil ist es, wenn als Isolationsmaterial für den Isolationskörper ein Wiedereintrittsmaterial verwendet wird oder wenn der Isolationskörper ein solches Material umfasst. Als "Wiedereintrittsmaterial" wird insbesondere ein Material angesehen, das in thermischer und mechanischer Hinsicht Eigenschaften aufweist, die an außenseitig an einem Raumfahrzeug angeordnete Materialien beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre gestellt sind. Dieses Material ist zum Beispiel ein Ablatormaterial. Das Wiedereintrittsmaterial weist die erforderliche Druckfestigkeit und Wärmeisolationsfähigkeit auf, um den Mantel bei Abbrennen des Festbrennstoffes zu schützen.
  • Der Isolationskörper ist beispielsweise aus einem Verbundwerkstoff gefertigt, speziell einem Faserverbundwerkstoff. Günstigerweise ist vorgesehen, dass der Isolationskörper ein Matrixmaterial mit darin aufgenommenen Fasern umfasst oder bildet, wobei die Fasern bevorzugt nicht-isotrop ausgerichtet in das Matrixmaterial eingebettet sind. Eine Vorzugsrichtung der Fasern verläuft günstigerweise längs der Erstreckung der vom Isolationskörper gebildeten Isolationsschicht (in Umfangsrichtung einer Achse des Mantels). Quer zur Erstreckung der Isolationsschicht sind demgegenüber bevorzugt nur verhältnismäßig wenige Fasern orientiert (in radialer Richtung bezüglich der Achse). Es zeigt sich, dass dadurch Wärmebrücken vom Festbrennstoff durch den Isolationskörper hindurch zum Mantel weitgehend vermieden werden können.
  • Auch der Isolationskörper besteht vorzugsweise aus einem Verbundmaterial mit einem Kunststoff-Matrixmaterial und darin angeordneten Fasern. Als Matrixmaterial kommt zum Beispiel Phenolharz zum Einsatz. Die Fasern können zum Beispiel pyrolysierte Viskosefasern sein oder darauf beruhen. Alternativ oder ergänzend ist der Einsatz von Mullitfasern denkbar.
  • Bei einer vorteilhaften Ausführungsform wird ein sogenanntes CC(Carbon-Carbon)-Material für den Isolationskörper oder als Ausgangsmaterial für den Isolationskörper verwendet. Dieses CC-Material kann bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel zusätzlich mit einem Phenolharz als Matrix infiltriert und ausgehärtet sein.
  • Günstigerweise weist der Isolationskörper zumindest abschnittsweise eine poröse und insbesondere nanoporöse Struktur auf, um eine verhältnismäßig geringe Dichte des Isolationskörpers und damit eine geringe Masse des Mantels zu erzielen. Dieser Vorteil kann zum Beispiel durch das vorstehend erwähnte CC-Material, infiltriert mit Phenolharz, erzielt werden.
  • Im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren und Mänteln mit Elastomerisolation kann bei der vorliegenden Erfindung die Isolationsschicht, insbesondere unter Einsatz von Fasermaterial, an die erforderlichen Anforderungen angepasst werden. Dies ist möglich sowohl bei Isolationen, die durch Isolationskörper gebildet werden, als auch bei schichtweise durch Wickeln oder Legen aufgebrachte faserbasierte und infiltrierte Isolationen. Ein Kriterium für die Auswahl des Isolationsmaterials und eine mögliche Vorzugsorientierung kann beispielsweise die Wärmeleitungseigenschaft sein, die die Isolationsschicht aufweisen sollte. Durch eine eher radiale Ausrichtung von Fasern wird die Wärmeleitung in Richtung auf die tragende Struktur vergrößert und schichtweises Delaminieren (Schälen) der Isolation eher vermieden. Eine eher in der Ebene der Isolationsschicht (in-plane) verlaufende Faserorientierung verringert eher die thermische Belastung auf den tragenden Abschnitt des Mantels. Durch geeignete Wahl des Isolationsmaterials kann die Faserausrichtung radialen und/oder in-plane-Charakter aufweisen und für die Anwendung optimiert werden. Auch eine räumlich isotrope Faserausrichtung ist denkbar.
  • Von Vorteil ist es, wenn der Isolationskörper mit einer Stützeinrichtung abgestützt wird, die größenveränderlich ausgestaltet ist, wenn die Stützeinrichtung zum Abstützen des Isolationskörpers in einem ersten Zustand von einer Seite in den Aufnahmeraum eingebracht wird, in einen ein größeres Volumen einnehmenden zweiten Zustand überführt und an die Innenseite angelegt wird, und wenn die Stützeinrichtung nach dem Aushärten des Band- oder Filamentmaterials in den ein kleineres Volumen einnehmenden ersten Zustand überführt und aus dem Aufnahmeraum entfernt wird. Unter Einführen der Stützeinrichtung in den Aufnahmeraum kann auch verstanden werden, dass der Isolationskörper relativ zu einer ortsfest angeordneten Stützeinrichtung bewegt und über diese geführt wird, so dass die Stützeinrichtung in den Aufnahmeraum eingreift.
  • Es kann vorgesehen sein, dass eine Stützeinrichtung verwendet wird, die ein Zentralorgan und daran angeordnete, radial ausgerichtete längenveränderliche Stützeinheiten aufweist, die zum Überführen vom ersten Zustand in den zweiten Zustand und umgekehrt in ihrer Länge verändert werden. Bei dem Zentralorgan handelt es sich zum Beispiel um eine Welle, die von einer Antriebseinrichtung drehend antreibbar sein kann. Eine derartige Stützeinrichtung kommt zum Beispiel bei einem Aufwickelverfahren für das Band- oder Filamentmaterial zum Einsatz. Die Stützeinheiten sind oder umfassen insbesondere längenveränderliche Kolben-Zylinder-Aggregate, deren Kolben radial ausgefahren und eingefahren werden können.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft auch einen Mantel einer Festbrennstoffrakete. Ein erfindungsgemäßer Mantel ist nach einem der vorstehend erwähnten Verfahren hergestellt.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Festbrennstoffrakete. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Festbrennstoffrakete bereitzustellen, deren Mantel eine nach Möglichkeit geringe Masse aufweist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Festbrennstoffrakete gelöst, umfassend eine tragende äußere Struktur und eine innenseitig am Mantel angeordnete druckfeste thermische Isolationsschicht, wobei zumindest die äußere Struktur des Mantels aus einem Verbundwerkstoff gefertigt ist.
  • Der Verbundwerkstoff ist vorzugsweise ein nichtmetallischer Verbundwerkstoff.
  • Der Mantel ist günstigerweise nach einem der vorstehend erwähnten Verfahren gefertigt.
  • Vorteile, die bereits im Zusammenhang mit der Erläuterung des Verfahrens erwähnt wurden, können beim Mantel und bei der Festbrennstoffrakete ebenfalls erzielt werden, so dass diesbezüglich auf voranstehende Ausführungen verwiesen werden kann. Vorteilhafte Ausführungsformen der Festbrennstoffrakete ergeben sich durch vorteilhafte Ausführungsbeispiele des Verfahrens.
  • Der Verbundwerkstoff ist günstigerweise ein Faserverbundwerkstoff, und die äußere Struktur des Mantels umfasst bevorzugt eine Matrix aus einem Kunststoffmaterial und in diese eingebettete Fasern.
  • Die Isolationsschicht ist bevorzugt aus einem Faserverbundwerkstoff gefertigt und umfasst eine Matrix aus einem Kunststoffmaterial und in diese eingebettete Fasern.
  • Günstig ist es, wenn der Mantel an der äußeren Struktur und der Isolationsschicht ein identisches Matrixmaterial aufweist. Das Isolationsmaterial und das Band- oder Filamentmaterial werden, wie erwähnt, günstigerweise gemeinsam mit dem Kunststoff-Matrixmaterial infiltriert und ausgehärtet.
  • Die Fasern der äußeren Struktur des Mantels sind bevorzugt Kohlenstofffasern, Glasfasern und/oder Synthetikfasern, insbesondere Aramidfasern.
  • Die Fasern der Isolationsschicht sind vorzugsweise Kohlenstofffasern und/oder Oxidkeramikfasern, insbesondere Aluminiumoxidfasern oder Mullitfasern.
  • Die Isolationsschicht ist bei einer andersartigen vorteilhaften Ausführungsform durch einen eigensteifen Isolationskörper gebildet, der vorzugsweise aus modular zusammengefügten Segmenten aufgebaut ist. Auf den Isolationskörper kann das Band- oder Filamentmaterial bevorzugt durch Auflegen oder Wickeln aufgebracht und anschließend ausgehärtet werden.
  • Die Isolationsschicht kann an einer dem Material des tragenden Abschnittes des Mantels zugewandten Seite eine texturierte Oberfläche aufweisen bzw. mit einer solchen versehen werden. Dadurch kann die Anbindung an den tragenden Abschnitt verbessert werden.
  • Alternativ oder ergänzend kann die Isolationsschicht an einer dem Festbrennstoff zugewandten Seite zur besseren Anbindung an den Festbrennstoff eine texturierte Oberfläche aufweisen oder mit einer solchen versehen werden.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zum Herstellen eines Mantels einer Festbrennstoffrakete, insbesondere nach einem der vorstehend genannten Verfahren. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine Stützeinrichtung, auf die ein Isolationsmaterial aufbringbar ist, mindestens eine Aufbringeinrichtung zum Aufbringen des Isolationsmaterials und zum Aufbringen eines Band- oder Filamentmaterials auf das Isolationsmaterial oder auf eine dieses umfassende Isolationsschicht.
  • Unter Einsatz der Vorrichtung kann eines der vorstehend genannten Verfahren ausgeübt werden. Die bereits im Zusammenhang mit der Erläuterung des Verfahrens erzielbaren Vorteile können auf dieser Weise unter Einsatz der Vorrichtung ebenfalls erzielt werden, so dass auf voranstehende Erläuterungen verwiesen werden kann. Es kann vorgesehen sein, dass nur eine Aufbringeinrichtung vorgesehen ist, mit der das Isolationsmaterial und das Band- oder Filamentmaterial aufgebracht werden kann. Es kann auch vorgesehen sein, dass getrennte Aufbringeinrichtungen vorgesehen sind.
  • Die mindestens eine Aufbringeinrichtung ist zum Beispiel eine Wickeleinrichtung zum Aufwickeln oder eine Bandlegeeinrichtung zum Auflegen des Isolationsmaterials bzw. des Band- oder Filamentmaterials.
  • Die Aufbringeinrichtung zum Aufbringen des Isolationsmaterials kann vorteilhafterweise eine Verlegeeinrichtung sein, die beispielsweise durch einen Roboter gebildet wird oder von diesem umfasst ist, über welche die Segmente eines das Isolationsmaterial bildenden eigensteifen Isolationskörpers auf die Stützeinrichtung auflegbar sind.
  • Die Stützeinrichtung ist vorzugsweise größenveränderlich ausgestaltet und von einem ersten Zustand in einen zweiten Zustand und umgekehrt überführbar, in welchem ein Durchmesser in einer Ebene quer zu einer axialen Richtung des Mantels größer ist als im ersten Zustand. Die Stützeinrichtung kann Anlageelemente aufweisen, die im zweiten Zustand an die Innenseite des Isolationskörpers anlegbar sind und im ersten Zustand einen Abstand von der Innenseite aufweisen. Es ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Anlageelemente nicht vollflächig an der Innenseite des Isolationskörpers angelegt werden müssen, um diesen abzustützen. Auch eine teilweise Abstützung des Isolationskörpers ist denkbar.
  • Günstigerweise wird eine Stützeinrichtung verwendet, die ein Zentralorgan und daran gehaltene, radial ausgerichtete längenveränderliche Stützeinheiten aufweist, die die Anlageelemente umfassen und zum Überführen vom ersten Zustand in den zweiten Zustand und umgekehrt in ihrer Länge veränderbar sind. Die Stützeinheiten sind oder umfassen günstigerweise Kolben-Zylinder-Aggregate.
  • Das Zentralorgan ist bevorzugt eine Welle oder umfasst eine solche, und die Vorrichtung kann eine Antriebseinrichtung aufweisen, mit der die Welle drehend antreibbar ist. Dies kann zum Beispiel dann vorgesehen sein, wenn der Isolationskörper zum Aufwickeln des Band- oder Filamentmaterials gedreht werden soll. Die Antriebseinrichtung kann Bestandteil der Aufbringeinrichtung sein.
  • Eine Stützeinrichtung für den Mantel kann auch andersartig als erläutert ausgestaltet sein. Denkbar ist, dass die Stützeinrichtung aus einzelnen Segmenten zusammensetzbar ist, die nach der Herstellung des Mantels wieder voneinander getrennt und aus dem vom Mantel umschlossenen Aufnahmeraum entfernt werden. Alternativ oder ergänzend kann eine einmal verwendbare Stützeinrichtung eingesetzt werden (sogenannter "verlorener Kern"), die nach der Fertigung des Mantels zerstört und entsorgt wird.
  • Die Vorrichtung kann eine Heizeinrichtung aufweisen zum Aufheizen des Isolationsmaterials oder des Band- oder Filamentmaterials, speziell bei Verwendung von Thermoplastmaterialien. Die Heizeinrichtung kann elektrisch, optisch und/oder chemisch, etwa mittels eines Brenners, ausgestaltet sein.
  • Alternativ oder ergänzend ist denkbar, dass die Vorrichtung eine Aushärteinrichtung umfasst zum Aushärten des imprägnierten oder infiltrierten Isolationsmaterials und/oder Band- oder Filamentmaterials. Die Aushärteinrichtung kann einen Ofen aufweisen. Eine Infiltriereinrichtung kann Bestandteil der Aushärteinrichtung sein oder getrennt von dieser gebildet sein.
  • Die vorstehenden Ausführungen zeigen, dass die Fertigung eines Mantels oder eines tragenden Abschnittes eines Mantels einer Festbrennstoffrakete unter Einsatz eines Band- oder Filamentmaterials und insbesondere mittels eines Verbundmaterials Vorteile aufweist.
  • Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auch auf eine Erfindung, bei der zwischen dem Mantelmaterial eines tragenden Mantels und dem Festbrennstoff der Festbrennstoffrakete kein Isolationsmaterial vorhanden ist.
  • Dementsprechend schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Festbrennstoffrakete vor, umfassend die folgenden Schritte:
    • – Bereitstellen einer Stützeinrichtung;
    • – Aufbringen eines Band- oder Filamentmaterials außenseitig auf die Stützeinrichtung;
    • – Aushärten des Band- oder Filamentmaterials zum Erzielen eines starren Mantels der Festbrennstoffrakete;
    • – Einbringen eines Festbrennstoffs in den vom Mantel gebildeten Aufnahmeraum derart, dass der Festbrennstoff in unmittelbarem Kontakt mit dem Mantel steht, ohne oder im Wesentlichen ohne ein zwischen dem Mantel und dem Festbrennstoff angeordnetes Isolationsmaterial.
  • "Im Wesentlichen ohne" ist vorliegend insbesondere dahingehend aufzufassen, dass über den größten Teil der einander zugewandten Flächen des Festbrennstoffes und des Mantels kein dazwischenliegendes Isolationsmaterial angeordnet ist.
  • In die Erfindung fließt der Gedanke mit ein, dass das Band- oder Filamentmaterial sowie gegebenenfalls ein Matrixmaterial derart gestaltet sein kann, dass ein Mantel der Festbrennstoffrakete mit tragender Struktur bereitgestellt werden kann. Das Mantelmaterial kann derart beschaffen sein, dass eine Unterscheidung zwischen Isolationsmaterial und Mantelmaterial entfällt.
  • Das Verfahren sieht insbesondere vor, dass in den vom ausgehärteten Mantel gebildeten oder umschlossenen Aufnahmeraum das Festbrennstoffmaterial eingebracht wird, wobei dieses das Mantelmaterial für die tragende Struktur frei oder im Wesentlichen frei von dazwischenliegendem Isolationsmaterial kontaktiert. Zum Einbringen des Festbrennstoffes kann die Stützvorrichtung zumindest teilweise entfernt werden.
  • Die durch das Verfahren gefertigte Festbrennstoffrakete kann einen Mantel aufweisen, der beim Abbrand des Festbrennstoffes vorzugsweise gezielt oder kalkuliert abbrennt. Dementsprechend kann ein dem Aufnahmeraum zugewandter Abschnitt des tragenden Mantelmaterials gewissermaßen eine "Opferschicht" bilden, deren Verlust beim Einsatz der Festbrennstoffrakete akzeptiert wird. Um die Wiederverwertbarkeit der Festbrennstoffrakete sicherzustellen, kann vorgesehen sein, dass die Opferschicht im Verhältnis zur Gesamtwandstärke des Mantels gering ist. Durch Vorsehen einer derartigen Opferschicht wird die strukturelle Festigkeit des Mantels sowie dessen Berstsicherheit im normalen Betrieb erhöht.
  • Die Opferschicht könnte beim Beispiel eines Festbrennstoffboosters einer Ariane-Trägerrakete mit einer Wandstärke des Mantels von ungefähr 25 mm bis 35 mm beispielsweise ungefähr 2 mm bis 3 mm pro Einsatz betragen, so dass ein mehrfacher Einsatz der Festbrennstoffrakete gesichert ist.
  • Idealerweise kann sogar vorgesehen sein, dass kein Verlust des Mantelmaterials beim Abbrennen des Festbrennstoffes erfolgt. Dies kann daran liegen, dass bei der Ausbrennphase der Festbrennstoffrakete der Innendruck abnimmt und sich die mechanische Belastung auf den Mantel reduziert.
  • Das Mantelmaterial kann ein wie vorstehend erläutertes Mantelmaterial sein. Diesbezüglich kann zur Vermeidung von Wiederholungen im Wesentlichen auf die voranstehenden Ausführungen verwiesen werden.
  • Es kann vorgesehen sein, dass das Band- oder Filamentmaterial in Gestalt von Streifen oder Bahnen oder als Roving gebildet ist. Das Band- oder Filamentmaterial kann durch Wickeln oder durch Auflegen aufgebracht werden. Das Band- oder Filamentmaterial kann Fasern umfassen, speziell Kohlenstofffasern, Glasfasern und/oder Synthetikfasern, zum Beispiel Aramidfasern. Insbesondere kann ein faserverstärktes Kohlenstoffmaterial zur Ausbildung einer CFK-Struktur verwendet werden. Eine Bandlegeeinrichtung oder eine Wickeleinrichtung kann zum Einsatz kommen.
  • Das Band- oder Filamentmaterial kann ein mit einem Kunststoff-Matrixmaterial vorimprägniertes Material sein (Prepreg-Material). Das Band- oder Filamentmaterial kann trocken aufgebracht werden und anschließend infiltriert und ausgehärtet werden. Als Kunststoff-Matrixmaterial kann ein Kunststoffharz wie beispielsweise Epoxidharz oder Phenolharz verwendet werden. Alternativ kann vorgesehen sein, dass das Kunststoff-Matrixmaterial ein Thermoplastmaterial ist oder umfasst, das beim Aufbringen erwärmt und durch Erkalten ausgehärtet wird.
  • Der Einsatz eines Fasern umfassenden oder aus Fasern bestehenden Band- oder Filamentmaterials erweist sich als vorteilhaft für eine geringe Wärmeleitfähigkeit des Mantels in radialer Richtung, wenn die Fasern in-plane, d. h. in Verlaufsrichtung der Wand des Mantels ausgerichtet sind.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Festbrennstoffrakete, hergestellt durch ein Verfahren der zuletzt erläuterten Art, bei dem der Festbrennstoff in unmittelbarem Kontakt mit dem Mantel steht.
  • Weiter betrifft die Erfindung eine erfindungsgemäße Festbrennstoffrakete, umfassend einen Mantel als tragende Struktur, welcher aus einem Verbundmaterial gefertigt ist, sowie einen Festbrennstoff, der in einem vom Mantel gebildeten Aufnahmeraum angeordnet ist und in unmittelbarem Kontakt mit dem Mantel steht, wobei die Festbrennstoffrakete frei oder im Wesentlichen frei von einem zwischen dem Mantel und dem Festbrennstoff angeordneten Isolationsmaterial ist.
  • Die Vorteile, die im Zusammenhang mit der Erläuterung des Verfahrens der zuletzt genannten Art erwähnt wurden, lassen sich bei der Festbrennstoffrakete ebenfalls erzielen. Diese Vorteile umfassen insbesondere eine einfache Herstellung des Mantels und damit der Festbrennstoffrakete, eine Verringerung der Herstellungskosten, der Herstellungsdauer, und eine Verringerung des Gewichts des Mantels, wodurch die Nutzlast der Festbrennstoffrakete erhöht und die Kosten für den Transport von Gütern gesenkt werden können.
  • Vorteilhafte Ausführungsformen der Festbrennstoffrakete der zuletzt genannten Art ergeben sich durch vorteilhafte Ausführungsbeispiele des Verfahrens der zuletzt genannten Art, auf die zur Vermeidung von Wiederholungen verwiesen werden kann.
  • Es kann vorgesehen sein, dass der Mantel dem Festbrennstoff zugewandt eine texturierte Oberfläche aufweist oder damit versehen wird, um die Anbindung an den Festbrennstoff zu verbessern.
  • Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:
  • 1: schematisch eine Seitenansicht, teilweise geschnitten, einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Fertigen eines erfindungsgemäßen Mantels unter Ausübung eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Ein Herstellungsschritt beim Fertigen des Mantels ist dargestellt, wobei eine Wickeleinrichtung der Vorrichtung zum Aufwickeln eines Band- oder Filamentmaterials auf einen Träger zum Einsatz kommt;
  • 2: eine Draufsicht auf die Vorrichtung in Richtung des Pfeiles "2" in 1;
  • 3: eine Teildarstellung einer anderen bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei zum Aufbringen des Band- oder Filamentmaterials eine Bandlegeeinrichtung zum Einsatz kommt;
  • 4: eine schematische Seitenansicht einer Stützvorrichtung ähnlich derjenigen, die bei der Vorrichtung gemäß 1 zum Abstützen des Trägers zum Einsatz kommt;
  • 5: eine vergrößerte Schnittansicht (schematisch) eines erfindungsgemäßen Mantels einer Festbrennstoffrakete und eines von diesem umfassten Isolationskörpers;
  • 6: schematisch eine Seitenansicht, teilweise geschnitten, einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Fertigen eines erfindungsgemäßen Mantels unter Ausübung eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Ein Herstellungsschritt beim Fertigen des Mantels ist dargestellt, wobei ein Isolationsmaterial mit einer Wickeleinrichtung auf eine Stützeinrichtung aufgewickelt wird;
  • 7: die Vorrichtung aus 6 bei einem weiteren Verfahrensschritt, wobei auf das Isolationsmaterial ein Band- oder Filamentmaterial mit einer Wickeleinrichtung aufgewickelt wird;
  • 8: eine vergrößerte Schnittansicht (schematisch) eines weiteren erfindungsgemäßen Mantels und einer von diesem umfassten Isolationsschicht;
  • 9: eine erfindungsgemäße Festbrennstoffrakete, umfassend einen erfindungsgemäßen Mantel;
  • 10: schematisch eine Seitenansicht, teilweise geschnitten, einer weiteren Vorrichtung zum Fertigen einer erfindungsgemäßen Festbrennstoffrakete unter Ausübung eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Ein Herstellungsschritt beim Fertigen des Mantels ist dargestellt, wobei ein Band- oder Filamentmaterial mit einer Wickeleinrichtung auf eine Stützeinrichtung aufgewickelt wird;
  • 11: eine vergrößerte Schnittansicht (schematisch) eines Mantels einer erfindungsgemäßen Festbrennstoffrakete; und
  • 12: eine erfindungsgemäße Festbrennstoffrakete.
  • 1 zeigt in schematischer Darstellung eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 belegte vorteilhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10. Die Vorrichtung 10 dient zur Ausübung eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens und insbesondere zur Herstellung einer vorteilhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mantels einer erfindungsgemäßen Festbrennstoffrakete.
  • Der Mantel wird in den 1 bis 3 in einem nicht-fertigen Zustand während der Herstellung dargestellt und in 5 in einer schematischen, nichtmaßstäblichen Schnittansicht im fertigen Zustand. Der Mantel ist mit dem Bezugszeichen 12 belegt.
  • Die Vorrichtung 10 umfasst eine Stützeinrichtung 14 zum Abstützen eines Trägers 16 für den Mantel 12, eine Aufbringeinrichtung 18 zum Aufbringen eines Band- oder Filamentmaterials 20 sowie eine Bevorratungseinrichtung 22 für das Band- oder Filamentmaterial 20. Außerdem umfasst die Vorrichtung 10 eine Antriebseinrichtung 24 für die Stützeinrichtung 14, eine Aushärteinrichtung 26 (schematisch) sowie eine Steuereinrichtung 28. Die Steuereinrichtung 28 steht insbesondere mit der Stützeinrichtung 14, der Aufbringeinrichtung 18, der Antriebseinrichtung 24 und der Aushärteinrichtung 26 über in der Zeichnung nicht dargestellte elektrische Leitungen in Wirkverbindung. Die Aushärteinrichtung kann einen Temperofen oder einen Autoklavofen umfassen.
  • Die Vorrichtung 10 ist in 1 auf einer Aufstellfläche 30 positioniert dargestellt.
  • Die Antriebseinrichtung 24 und die Stützeinrichtung 14 können als Bestandteil der Aufbringeinrichtung 18 angesehen werden. Die Aufbringeinrichtung 18 ist als Wickeleinrichtung ausgestaltet.
  • Die Vorrichtung 10 dient, wie erwähnt, zur Fertigung einer vorteilhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mantels 12 mit tragender äußerer Struktur, der innenseitig eine druckfeste thermische Isolationsschicht aufweist. Zu diesem Zweck wird der Träger 16 bereitgestellt, auf den das Band- oder Filamentmaterial 20 schichtweise aufgebracht und anschließend ausgehärtet wird.
  • Der Träger 16 wird bei dieser Ausführungsform gebildet durch einen Isolationskörper 32, der bevorzugt hülsenförmig und insbesondere hohlzylindrisch ausgestaltet ist. Der Isolationskörper 32 kann einstückig sein oder aus modular zusammenfügbaren Segmenten gefertigt sein, beispielsweise Schalensegmenten oder Ringsegmenten.
  • Der Isolationskörper 32 ist aus einem Isolationsmaterial gefertigt und druckfest. Unter "druckfest" wird verstanden, dass der Isolationskörper 32 den beim Abbrennen eines Festbrennstoffes der Festbrennstoffrakete auftretenden Drücken standhalten kann. Beispielsweise betragen diese Drücke mindestens 50 bar oder bis zu 100 bar oder sogar darüber.
  • Durch eine nicht dargestellte Aufbringeinrichtung, beispielsweise einen Roboter, könnte der Isolationskörper auf die Stützeinrichtung aufgebracht werden.
  • Der Isolationskörper 32 weist radial innenseitig eine Innenseite 34 und radial außenseitig eine Außenseite 36 auf. Die Innenseite 34 und die Außenseite 36 werden von einer Wandung 38 des Isolationskörpers 32 gebildet. Die Wandung 38 hat die Gestalt einer Schale, die einen Aufnahmeraum 40 umschließt. Der Aufnahmeraum 40 des Isolationskörpers 32 ist von der Innenseite 34 begrenzt.
  • Das Isolationsmaterial dient dazu, den wie nachfolgend erläutert außenseitig auf den Isolationskörper 32 aufgebrachten tragenden Abschnitt des Mantels 12 vor Wärme zu schützen, die beim Abbrennen eines Festbrennstoffes im Aufnahmeraum 40 entsteht. Beispielsweise kommt als Isolationsmaterial ein Wiedereintrittsmaterial wie etwa ein Ablatormaterial zum Einsatz, welches auch an Raumfahrzeugen eingesetzt wird, um diese vor der beim Wiedereintritt entstehenden Hitze zu schützen.
  • Das Isolationsmaterial kann ein Verbundmaterial mit Kunststoff-Matrixmaterial sein, zum Beispiel aus einem Phenolharz. Im Matrixmaterial 44 sind vorzugsweise in 5 schematisch dargestellte Fasern 42 eingebettet. Bei den Fasern 42 handelt es sich zum Beispiel um pyrolysierte Viskosefasern, die in Phenolharz eingebettet sind. Dieses kann zum Ausbilden eines sogenannten CC-Materials (Carbon-Carbon) pyrolysiert sein. Eine weitere Infiltration mit Phenolharz und Aushärtung ist bevorzugt. Denkbar ist auch ein Einsatz von Kohlenstoff-Nanotubes oder Mullitfasern in der Matrix 44. Auch eine niederdimensionale Struktur, insbesondere Graphen, kann in die Matrix 44 des Isolationsmaterials eingebettet sein.
  • Von Vorteil ist es, wie in 5 schematisch dargestellt, wenn in das Isolationsmaterial eingebettete Fasern 42 nicht-isotrop im Matrixmaterial 44 ausgerichtet sind. Insbesondere können die Fasern 42 im Mittel eine Vorzugsrichtung innerhalb des Matrixmaterials 44 einnehmen, die längs der Erstreckung der vom Isolationskörper 32 gebildeten Schale verläuft. Dementsprechend verlaufen die Fasern 42 längs der (zweidimensionalen) Erstreckung der Wandung 38 des Isolationskörpers 32. Quer zur Erstreckung der Wandung 38 von der Innenseite 34 zur Außenseite 36 sind die Fasern 42 nur in geringem Ausmaß ausgerichtet. Durch die in Vorzugsrichtung ausgerichteten Fasern 42 kann eine Bildung von Wärmebrücken zwischen der dem Festbrennstoff zugewandten Innenseite 34 und der dem Mantel 12 zugewandten Außenseite 36 weitgehend vermieden oder zumindest verringert werden.
  • Darüber hinaus dienen die Fasern 42 zur Stabilisierung des Isolationskörpers 32.
  • Das Isolationsmaterial ist vorzugsweise nanoporös mit geringer Permeabilität, um eine möglichst geringe Masse des Isolationskörpers 32 erzielen zu können. In die poröse Struktur des Isolationsmaterials können Fasern 42 eingebettet sein.
  • Der Isolationskörper 32 ist vorzugsweise eigensteif und behält seine Struktur ohne mechanische Abstützung bei, was sich insbesondere für das Aufbringen des Band- oder Filamentmaterials 20 als besonders vorteilhaft erweist.
  • Die Stützeinrichtung 14 umfasst bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung 10 mindestens ein und beispielsweise zwei auf der Aufstellfläche 30 positionierbare Stützteile 46. Die Stützteile 46 sind im Abstand zueinander angeordnet. Ein Zentralorgan 48, ausgestaltet als Welle 50 der Stützeinrichtung 14, ist auf den Stützteilen 46 drehbar gelagert. Die Antriebseinrichtung 24 dient zum drehenden Antreiben der Welle 50 um eine von ihr definierte Drehachse 52.
  • Die Stützeinrichtung 14 umfasst ferner eine Mehrzahl von Stützeinheiten 54, die an der Welle 50 insbesondere drehfest gehalten sind. Die Stützeinheiten 54 umfassen vorzugsweise Kolben-Zylinder-Aggregate 56 (4), die beispielsweise mit einem Kolben 58 an der Welle 50 festgelegt sind. In den Kolben 58 ist jeweils ein Zylinder 60 radial verschieblich gehalten.
  • Unter Ansteuerung durch die Steuereinrichtung 28 können die Kolben-Zylinder-Aggregate 56 durch Verschieben der Zylinder 60 relativ zu den Kolben 58 verlängert und verkürzt werden. Insbesondere ist es möglich, die Stützeinrichtung 14 von einem ersten Zustand, in dem die Welle 50 mit den Stützeinheiten 54 ein geringeres Volumen einnimmt, durch Verlängern der Kolben-Zylinder-Aggregate 56 in einen zweiten Zustand zu überführen, in dem die Welle 50 mit den Stützeinheiten 54 ein größeres Volumen einnimmt.
  • Radial außenseitig ist an den Zylindern 60 jeweils ein Anlageelement 62 festgelegt. Das Anlageelement 62 ist zum Beispiel leistenförmig und parallel zur Welle 50 erstreckt. Es kann vorgesehen sein, dass zwei axial voneinander beabstandete Stützeinheiten 54 zur Fixierung je eines Anlageelementes 62 dienen, d. h. jedes Anlageelement 62 ist zwei Stützeinheiten 54 zugeordnet.
  • In Umfangsrichtung der Drehachse 52 sind die Stützeinheiten 54 vorzugsweise äquidistant zueinander angeordnet.
  • Die 2 und 3 zeigen Stützeinrichtungen 14 mit 18 in Umfangsrichtung der Drehachse 52 angeordneten Stützeinheiten 54. 4 zeigt einen Ausschnitt einer andersartigen Konstruktion einer Stützeinrichtung 14, bei der in Umfangsrichtung der Drehachse 52 8 Stützeinheiten 54 zum Einsatz kommen. Die Stützeinrichtung 14 kann dann insgesamt beispielsweise zweimal 18 bzw. zweimal 8 im Abstand voneinander angeordnete Stützeinheiten 52 aufweisen.
  • Zum Abstützen des Isolationskörpers 32 kann die Stützeinrichtung 14 in den ersten, raumsparenden Zustand überführt werden, indem die Kolben 58 radial in die Zylinder 60 eingefahren werden. Die Stützeinheiten 54 mit den Anlageelementen 62 können in den Aufnahmeraum 40 eingebracht werden. Darunter kann auch verstanden werden, dass der Isolationskörper 32 auf die Stützeinheiten 54 mit den Anlageelementen 62 aufgesetzt wird. Falls mehr als ein Stützteil 46 vorhanden ist, kann ein zweites Stützteil 46 erforderlichenfalls nachfolgend zum Abstützen der Welle 50 bereitgestellt werden.
  • Die Stützeinrichtung 14 kann in den zweiten, ein größeres Volumen einnehmenden Zustand überführt werden, in dem die Kolben 58 radial nach außen verschoben werden, bis die Anlageelemente 62 an der Innenseite 34 anliegen und den Isolationskörper 32 abstützen. Der Isolationskörper 32 ist dann koaxial zur Welle 50 ausgerichtet.
  • Im vorliegenden Fall ist es ausreichend, nur einen Teil der Innenseite 34 mit den Anlageelementen 62 abzustützen. Es braucht insbesondere die Innenseite 34 nicht vollflächig abgestützt sein.
  • Anschließend kann das Band- oder Filamentmaterial 20 auf den Isolationskörper 32 aufgebracht werden.
  • Das Band- oder Filamentmaterial 20 ist insbesondere ein Fasern 63 umfassendes Material, beispielsweise Kohlenstofffasern, Glasfasern oder Synthetikfasern, insbesondere Aramidfasern (5). Das Band- oder Filamentmaterial 20 ist bei der in den 1 und 2 gezeigten Darstellung auf einer Spule 64 der Bevorratungseinrichtung 22 bevorratet. Das Band- oder Filamentmaterial 20 kann als Roving bereitgestellt sein.
  • Durch Antrieb der Welle 50 wird der Isolationskörper 32 in Rotation versetzt (Pfeilrichtung 66 in 1). Das Band- oder Filamentmaterial 20 wird dadurch über die Aufbringeinrichtung 18 schichtweise auf die Außenseite 36 aufgebracht. Darunter wird vorliegend insbesondere auch verstanden, dass eine erste Schicht des Band- oder Filamentmaterials 20 unmittelbar auf die Außenseite 36 aufgelegt wird und anschließend übereinanderliegende Schichten des Band- oder Filamentmaterials 20 gebildet werden können.
  • Die Spule 64 kann in axialer Richtung auf einer Welle 70 parallel zur Achse des Isolationskörpers beim Wickeln verschoben werden, beispielsweise unter Ansteuerung durch die Steuereinrichtung 28.
  • Das Band- oder Filamentmaterial 20 ist insbesondere ein mit einem Kunststoff-Matrixmaterial 67 vorimprägniertes Material (Prepreg). Alternativ oder ergänzend kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung 10 ein Gefäß 68 aufweist, durch das hindurch das Band- oder Filamentmaterial 20 beim Aufwickeln gefördert wird und in dem ein Kunststoff-Matrixmaterial 67 angeordnet ist. Das Matrixmaterial 67 kann vom Band- oder Filamentmaterial 20 erfasst und dadurch dieses mit dem Matrixmaterial getränkt werden.
  • Vorzugsweise wird das Band- oder Filamentmaterial 20 im getränkten Zustand (Prepreg oder über das Gefäß 68) nass auf den Isolationskörper 32 gewickelt.
  • Das aufgewickelte Band- oder Filamentmaterial 20 wird anschließend einzelschichtweise oder mehrschichtweise über die Aushärteinrichtung 26 mit Energie beaufschlagt und erwärmt. Die Aushärteinrichtung 26, beispielsweise bei Ausgestaltung als Ofen, kann die übrigen Komponenten der Vorrichtung zumindest teilweise um- oder einfassen. Bei Einsatz eines Ofens wird vorzugsweise der gesamte Lagenaufbau erwärmt.
  • Durch Erwärmung bildet sich die Matrix des ausgehärteten Matrixmaterials 67 mit darin eingebetteten Fasern 63. Die Fasern sind vorzugsweise in-plane orientiert.
  • Die einzelnen Schichten des Band- oder Filamentmaterials 20 werden stoffschlüssig miteinander verbunden. Außerdem erfolgt ein stoffschlüssiger, inniger Verbund des Isolationskörpers 32 an der Außenseite 36 mit dem Band- oder Filamentmaterial 20.
  • Nach dem Aushärten ist ein starrer, an der Außenseite 36 anliegender tragender Abschnitt des Mantels 12 aus einem Faserverbundwerkstoff und insbesondere einem CFK-Werkstoff gefertigt. Der Mantel 12 kann als Ganzes gefertigt werden, als zylindrische Hülse mit tragender Struktur außen und Isolationsschicht innen. Ein Zusammensetzen des Mantels aus einzelnen Segmenten ist nicht erforderlich.
  • Dieser Mantel 12 mit der innenseitigen Isolation weist aufgrund der Fertigung als Faserverbundwerkstoff eine hohe mechanische und thermische Beanspruchbarkeit auf und zugleich eine geringe Masse. Durch Einsparung an Masse am Mantel 12 kann die Nutzlast einer mit dieser gefertigten Festbrennstoffrakete erhöht werden. Auch die Nutzlast einer Trägerrakete, bei der eine derartige Festbrennstoffrakete als Boosterrakete zum Einsatz kommt, kann erhöht werden. Die Kosten für den Raumtransport von Gütern können dadurch erheblich gesenkt werden. Zugleich fällt das Herstellungsverfahren für den Mantel 12 einfach aus, indem dessen tragende Struktur direkt auf den Isolationskörper 32 aufgebracht werden kann.
  • Nach der Aushärtung des Mantels 12 kann die Stützeinrichtung 14 aus dem Aufnahmeraum 40 entfernt werden. Zu diesem Zweck kann die Stützeinrichtung 14 in den volumensparenden ersten Zustand überführt und die Stützeinheiten 54 mit den Anlageelementen 62 aus dem Aufnahmeraum 40 entfernt werden.
  • Ein Festbrennstoff kann anschließend in den Aufnahmeraum 40 eingebracht werden.
  • Anstelle des Nasswickelns des Band- oder Filamentmaterials 20 kann auch vorgesehen sein, dass dieses, insbesondere Bahnen von Kohlenstofffasern, Glasfasern und/oder Synthetikfasern, trocken auf den Isolationskörper 32 gewickelt oder aufgelegt werden. Die Schichten können anschließend mit einer nicht dargestellten Infiltriereinrichtung durch ein Infusionsverfahren mit einem Kunststoff-Matrixmaterial 67 infiltriert und die infiltrierten Schichten des Band- oder Filamentmaterials 20 zur Bildung des starren Mantels 12 mit der Aushärteinrichtung 26 ausgehärtet werden (nicht gezeigt).
  • Das Band- oder Filamentmaterial 20 kann als Matrixmaterial auch ein Thermoplastmaterial umfassen. Beispielsweise wird ein Thermoplast-Prepreg-Material bereitgestellt, das auf den Isolationskörper 32 aufgewickelt wird. Das Thermoplast-Prepreg-Material kann auf der Spule 64 bevorratet sein. Das Thermoplast-Prepreg-Material kann schichtweise auf den Isolationskörper 32 aufgebracht werden. Mittels einer Heizeinrichtung 76 kann das Thermoplastmaterial erwärmt werden, um das Ablegen des Band- oder Filamentmaterials 20 auf dem Isolationskörper 32 zu ermöglichen. Die Heizeinrichtung 76 kann elektrisch, optisch und/oder chemisch ausgestaltet sein.
  • Die Heizeinrichtung 76 ist zum Beispiel längs des Isolationskörpers 32 auf einer Welle 72 verschieblich gehalten, zum Beispiel unter Ansteuerung durch die Steuereinrichtung 28.
  • Beim Erkalten erstarrt das Thermoplast-Prepreg-Material und bildet dadurch eine starre tragende Struktur des Mantels 12. Die Aushärteinrichtung 26 könnte dadurch eingespart werden.
  • Die 3 zeigt schematisch eine Aufbringeinrichtung 74, die anstelle der Aufbringeinrichtung 18 zum Einsatz kommen kann. Bei der Aufbringeinrichtung 74 handelt es sich insbesondere um eine Bandlegeeinrichtung, mit der Streifen des Band- oder Filamentmaterials 20 auf die Außenseite 36 und auf sich darauf befindende weitere Schichten des Band- oder Filamentmaterials 20 aufgelegt werden können.
  • Die Aufbringeinrichtung 74 ist zugleich eine Bevorratungseinrichtung, in der das Band- oder Filamentmaterial 20 bevorratet sein kann. In die Aufbringeinrichtung 74 kann insbesondere bei Verwendung eines Thermoplast-Prepreg-Materials eine Heizeinrichtung 26 integriert sein, um die aufgelegten Streifen zur Erzielung eines Stoffschlusses und zur Aushärtung des Mantels 12 mit Energie zu beaufschlagen.
  • Auch bei Einsatz der Aufbringvorrichtung 74 wird das Band- oder Filamentmaterial 20 vorzugsweis vorimprägniert mit einem Kunststoff-Matrixmaterial 67 auf den Isolationskörper 32 aufgebracht. Es kann jedoch alternativ oder ergänzend vorgesehen sein, dass das Band- oder Filamentmaterial 20 im bereits aufgebrachten Zustand einem Matrix-Infusionsverfahren mit einem Kunststoffmaterial 67 unterzogen wird.
  • Vorzugsweise kommt mit der Aufbringeinrichtung 74 ebenfalls ein Fasern 63 umfassendes Material zum Einsatz, um einen Mantel 12 aus einem Faserverbundwerkstoff herzustellen. Auch hierbei empfehlen sich insbesondere Kohlenstofffasern, Glasfasern und/oder Synthetikfasern, zum Beispiel Aramidfasern.
  • Die Aufbringeinrichtung 74 kann über eine in der Zeichnung nicht dargestellte Verstelleinrichtung, beispielsweise einen Roboterarm, relativ zum Isolationskörper 32 bewegt werden, um diesen außenseitig flächig mit dem Band- oder Filamentmaterial 20 zu bedecken.
  • Wie bereits erwähnt kann im Rahmen der Erfindung auch vorgesehen sein, dass anstelle eines Isolationskörpers 32 ein Isolationsmaterial auf eine Stützvorrichtung aufgebracht wird zum Bereitstellen einer druckfesten Isolationsschicht oder als Ausgangsmaterial für eine solche. Dabei kann, wie bereits erwähnt, insbesondere vorgesehen sein, dass ein Fasern umfassendes oder aus Fasern gebildetes Isolationsmaterial auf die Stützvorrichtung aufgebracht wird und die Isolationsschicht als Faserverbundwerkstoff mit einem Matrixmaterial und in dieses eingebetteten Fasern gebildet ist. Auf eine derartige Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend unter Verweis auf die 6 bis 8 eingegangen.
  • Die 6 und 7 zeigen eine mit dem Bezugszeichen 80 belegte vorteilhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Vorrichtung 80 umfasst eine Stützeinrichtung 82, die Bevorratungseinrichtung 22 und eine weitere Bevorratungseinrichtung 84, sowie die Steuereinrichtung 28 und die Aushärteinrichtung 26. Eine Aufbringeinrichtung zum Aufbringen des Isolationsmaterials und des Band- oder Filamentmaterials 20 ist vorgesehen, vorliegend eine Wickeleinrichtung.
  • Die Stützeinrichtung 82 weist ein Stützteil 86 auf, ein Zentralorgan 88 in Gestalt einer Welle 90, ausgehend von der radial Stützeinheiten 92 abstehen. An den Stützeinheiten 92 ist radial außenseitig ein eine Auflagefläche 94 bildendes Auflageelement 96 gehalten. Die Auflagefläche 94 ist insbesondere eine Zylinderfläche.
  • Die Stützeinrichtung 82 kann beispielsweise mit der Antriebseinrichtung 24 in Rotation versetzt werden.
  • Auf der Bevorratungseinrichtung 84 ist das Band- oder Filamentmaterial 20 wie im Fall der Vorrichtung 10 bevorratet.
  • Die Bevorratungseinrichtung 84 umfasst ebenfalls eine Spule 98, die um eine Welle 100 drehbar und vorzugsweise antreibbar ist.
  • Die Bevorratungseinrichtung 84 bevorratet das Isolationsmaterial 102. Das Isolationsmaterial 102 ist vorzugsweise ein Fasern umfassendes oder aus Fasern gebildetes Material. Das Isolationsmaterial kann insbesondere ein Faserfilzmaterial sein, zum Beispiel mit Kohlenstofffasern oder Oxidkeramikfasern, insbesondere Aluminiumoxidfasern oder Mullitfasern.
  • Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel zum Bilden eines erfindungsgemäßen Mantels 104 mit der Vorrichtung 80 ist vorgesehen, dass das Isolationsmaterial 102 durch Wickeln auf die Auflagefläche 94 der Stützeinrichtung 82 aufgebracht wird (6). Es kann eine Schicht 106 von Isolationsmaterial 102 gebildet werden (7).
  • In einem nachfolgenden Verfahrensschritt kann die Schicht 106 als Kern zum Aufbringen des Band- oder Filamentmaterials 20 genutzt werden. Das Band- oder Filamentmaterial 20 kann auf die Schicht 106 aufgewickelt werden (7). Auf diese Weise können auf dem inneren Kern, gebildet durch die Stützeinrichtung 82, übereinander liegende Schichten des Isolationsmaterials 102 und des Band- oder Filamentmaterials 20 angeordnet werden.
  • Zum Bilden eines jeweiligen Verbund- und insbesondere Faserverbundwerkstoffes können beide Schichten in einem nachfolgenden Verfahrensschritt mit einem Kunststoff-Matrixmaterial infiltriert werden. Zu diesem Zweck ist eine nur schematisch dargestellte Infiltriereinrichtung 108 vorgesehen, die mit der Steuereinrichtung 28 gekoppelt ist. Über die Infiltriereinrichtung 108 werden beide Schichten einem Infusionsverfahren unterzogen und die Fasern des Isolationsmaterials 102 und des Band- oder Filamentmaterials 20 in eine Matrix des Kunststoff-Matrixmaterials eingebettet.
  • In einem nachfolgenden Verfahrensschritt erfolgt das gemeinsame Aushärten beider Faserverbundwerkstoffe, zum Beispiel über die Aushärteinrichtung 26.
  • Bei der Vorrichtung 80 und dem mittels dieser ausübbaren Verfahren besteht ein Vorteil darin, dass mehrere Verfahrensschritte zum Bilden des Mantels 104 zusammengefasst werden können. In einem gemeinsamen Infusionsschritt wird das Isolationsmaterial 102 zum Bilden einer innen liegenden Isolationsschicht und das Band- oder Filamentmaterial 20 zum Bilden der außenseitigen, tragenden Struktur des Mantels 104 infiltriert. Der Aufwand für die Herstellung des Mantels 104 kann dadurch gering gehalten und eine kostengünstige Fertigung ermöglicht werden. Außerdem weist auch der Mantel 104 eine im Vergleich zu herkömmlichen Mänteln geringe Masse auf.
  • 9 zeigt schematisch die Isolationsschicht 110 mit einzelnen Lagen des Isolationsmaterials 102 und in die Isolationsschicht 110 eingebettete Fasern 112. Durch Einsatz des Faserfilzmaterials weist die Isolationsschicht 110 eine geringe Wärmeleitfähigkeit auf, wodurch eine gute thermische Isolation beim Mantel 104 und dessen hohe thermische Beständigkeit gesichert werden können. Die Fasern 112 sind zumindest teilweise quer zur Ebene der Schichten des Isolationsmaterials 102 ausgerichtet, um ein schichtweises Delaminieren der Isolationsschicht 110 durch strömende Heißgase beim Abbrennen von Festbrennstoff zu vermeiden.
  • Außenseitig an der Isolationsschicht 110 ist die tragende Schicht 114 des Mantels angeordnet, gebildet aus dem Band- oder Filamentmaterial 20. Das ausgehärtete Kunststoff-Matrixmaterial 116 bettet sowohl die Fasern 63 als auch die Fasern 112 ein.
  • Bei einer andersartigen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann vorgesehen sein, dass die Schicht 106 aus dem Isolationsmaterial 102 zunächst mit einem Kunststoff-Matrixmaterial infiltriert und ausgehärtet wird und dass anschließend das Band- oder Filamentmaterial 20 aufgebracht wird. Es können unterschiedliche Matrixmaterialien für das Isolationsmaterial 102 und das Band- oder Filamentmaterial 20 zum Einsatz kommen.
  • Bei einer weiteren andersartigen vorteilhaften Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass ein Isolationsmaterial 102 insbesondere in Form von Thermoplast-Prepreg-Material auf die Stützeinrichtung 82 aufgebracht wird. Mittels einer Heizeinrichtung, beispielsweise der Heizeinrichtung 76, kann das Thermoplastmaterial erwärmt werden. Durch Erkalten härtet die Isolationsschicht 110 aus. Anschließend kann das Band- oder Filamentmaterial 20 aufgebracht werden.
  • Selbstverständlich ist es auch möglich, das Isolationsmaterial 102 und/oder das Band- oder Filamentmaterial 20 als vorimprägniertes Prepreg-Material bereitzustellen.
  • Auch der Einsatz einer Aufbringeinrichtung als Bandlegeeinrichtung ähnlich der Aufbringeinrichtung 74 ist denkbar, um das Isolationsmaterial 102 aufzulegen statt zu wickeln. Entsprechendes gilt für das Band- oder Filamentmaterial 20.
  • Die 9 zeigt eine mit dem Bezugszeichen 118 belegte vorteilhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Festbrennstoffrakete. Die Festbrennstoffrakete 118 umfasst einen erfindungsgemäßen Mantel 120. Der Mantel 120 kann in Gestalt und Aufbau wie der Mantel 12 oder der Mantel 104 unter Einsatz einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 oder 80 und unter Ausübung des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt sein.
  • Die 10 zeigt eine weitere, mit dem Bezugszeichen 121 belegte Vorrichtung zur Herstellung Mantels 122 einer Festbrennstoffrakete 124 gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung. Die Festbrennstoffrakete 124 ist in 12 schematisch dargestellt uns nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt.
  • Die Vorrichtung 121 stimmt zum Beispiel mit der Vorrichtung 80 weitgehend überein, wobei sie jedoch die Bevorratungseinrichtung 84 für das Isolationsmaterial 102 sowie dieses nicht umfasst. Für die Fertigung des Mantels 122 kommen nur das Band- oder Filamentmaterial 20 sowie das Matrixmaterial 67 zum Einsatz.
  • Für die Fertigung des Mantels 122 wird eine Stützeinrichtung bereitgestellt, beispielsweise die Stützeinrichtung 82. Das Band- oder Filamentmaterial 20 kann auf eine Außenseite des Auflageelementes 96 schichtweise aufgebracht werden. Die Zeichnung zeigt das Aufbringen durch Wickeln, wobei das Band- oder Filamentmaterial 20 ein trockenes Material sein kann, das über die Infiltriereinrichtung 108 mit dem Matrixmaterial 67 infiltriert werden kann. Anschließend kann ein Aushärten des Mantels 122 erfolgen, beispielsweise über die Aushärteinrichtung 26.
  • Anstelle des trockenen Band- oder Filamentmaterials 20 kann auch ein vorimprägniertes Prepreg-Material verwendet werden, wie dies vorstehend beschrieben wurde. Auch die Verwendung eines Thermoplastmaterials als Band- oder Filamentmaterial 20 ist möglich, wobei etwa die Aufbringeinrichtung 74 zum Einsatz kommen kann. Das aufgelegte Thermoplastmaterial kann erwärmt und durch Erkalten ausgehärtet werden. Eine Heizeinrichtung, beispielsweise 76, kann zum Erwärmen eingesetzt werden, wobei die Heizeinrichtung auch in die Aufbringeinrichtung integriert sein kann.
  • Das Band- oder Filamentmaterial 20 ist ein Fasern umfassendes Material, insbesondere Kohlenstofffasern. Nach dem Aushärten ist der Mantel 122 starr aus einem Verbundmaterial gefertigt, insbesondere aus einem CFK-Material und tragfähig. Der Mantel 122 ist als Ganzes als zylindrische Hülse gefertigt. Er weist eine Außenseite 126 und einen Innenseite 128 auf. Der Mantel 122 umschließt einen Aufnahmeraum für einen Festbrennstoff 130.
  • Nach dem Aushärten des Mantels 122 kann die Stützvorrichtung 82 zumindest teilweise entfernt werden, um den Festbrennstoff 130 in den Aufnahmeraum einzubringen.
  • Im Unterschied zu den vorangegangen Ausführungsformen kommt bei der Festbrennstoffrakete 124 kein Isolationsmaterial zwischen dem Mantel 122 und dem Festbrennstoff 130 zum Einsatz, bzw. der Mantel 122 umfasst selbst kein Isolationsmaterial wie die Mäntel 12, 104. Eine Unterscheidung von Mantelmaterial und Isolationsmaterial entfällt. Die Festbrennstoffrakete 124 ist frei von Isolationsmaterial zwischen dem Mantel 122 und dem Festbrennstoff 130.
  • Stattdessen steht der Festbrennstoff 130 an der Innenseite 128 in unmittelbarem Kontakt mit dem Mantel (11, wobei die Anzahl der Schichten des Band- oder Filamentmaterials 20 wie in den 5 und 8 zur klareren Darstellung gering gehalten ist).
  • Das Verfahren zur Herstellung der Festbrennstoffrakete 124 bietet den Vorteil einer noch weiteren Verringerung von Herstellungsschritten und damit geringeren Kosten. Der Mantel 122 weist im Verhältnis zu herkömmlichen Mänteln ein geringes Gewicht auf, und die Nutzlast einer mit der Festbrennstoffrakete 124 ausgestattete Trägerrakete kann zur Verringerung von Transportkosten erhöht werden.
  • Das Verbundmaterial mit dem Band- oder Filamentmaterial 20 und dem Matrixmaterial 67 ist vorliegend so beschaffen, dass der Mantel 122 den Temperaturen und Drücken beim Abbrennen des Festbrennstoffes 130 standhalten oder weitestgehend standhalten kann. Besonders CFK-Werkstoffe können gute Ablatoreigenschaften aufweisen.
  • Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass der Mantel 122 dem Festbrennstoff 130 zugewandt eine abbrennbare Schicht 132 aufweist, deren Verlust beim Abbrennen des Festbrennstoffes 130 kalkulierbar ist. Die Dicke der Schicht 132 ist nicht notwendigerweise gleich der Dicke einer Schicht des imprägnierten Band- oder Filamentmaterials 20, wie dies beim Ausführungsbeispiel nach 11 schematisch dargestellt ist.
  • Die Schicht 132 kann gewissermaßen als „Opferschicht“ angesehen werden und ist dünn im Vergleich zur Wandstärke des Mantels 122 insgesamt. Durch geeignete Ausgestaltung des Mantelmaterials kann auf diese Weise ein Teil des Mantels 122 bei Verwendung der Festbrennstoffrakete 124 abbrennen, die Steifigkeit und Berstfähigkeit des Mantel 122 im Übrigen wird davon jedoch nicht beeinträchtigt. Der ausgebrannte Mantel 122 kann wieder mit Festbrennstoff 130 befüllt und erneut eingesetzt werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Vorrichtung
    12
    Mantel
    14
    Stützeinrichtung
    16
    Träger
    18
    Aufbringeinrichtung
    20
    Band- oder Filamentmaterial
    22
    Bevorratungseinrichtung
    24
    Antriebseinrichtung
    26
    Aushärteinrichtung
    28
    Steuereinrichtung
    30
    Aufstellfläche
    32
    Isolationskörper
    34
    Innenseite
    36
    Außenseite
    38
    Wandung
    40
    Aufnahmeraum
    42
    Faser
    44
    Matrixmaterial
    46
    Stützteil
    48
    Zentralorgan
    50
    Welle
    52
    Drehachse
    54
    Stützeinheit
    56
    Kolben-Zylinder-Aggregat
    58
    Kolben
    60
    Zylinder
    62
    Anlageelement
    63
    Fasern
    64
    Spule
    66
    Pfeilrichtung
    67
    Matrixmaterial
    68
    Gefäß
    70
    Welle
    72
    Welle
    74
    Aufbringeinrichtung
    76
    Heizeinrichtung
    80
    Vorrichtung
    82
    Stützeinrichtung
    84
    Bevorratungseinrichtung
    86
    Stützteil
    88
    Zentralorgan
    90
    Welle
    92
    Stützeinheit
    94
    Auflagefläche
    96
    Auflageelement
    98
    Spule
    100
    Welle
    102
    Isolationsmaterial
    104
    Mantel
    106
    Schicht
    108
    Infiltriereinrichtung
    110
    Isolationsschicht
    112
    Fasern
    114
    tragende Schicht
    116
    Kunststoff-Matrixmaterial
    118
    Festbrennstoffrakete
    120
    Mantel
    121
    Vorrichtung
    122
    Mantel
    124
    Festbrennstoffrakete
    126
    Außenseite
    128
    Innenseite
    130
    Festbrennstoff
    132
    abbrennbare Schicht

Claims (20)

  1. Verfahren zum Herstellen eines innenseitig mit einer thermischen Isolation versehenen Mantels einer Festbrennstoffrakete, umfassend die folgenden Schritte: – Bereitstellen einer Stützeinrichtung; – Aufbringen eines Isolationsmaterials außenseitig auf die Stützeinrichtung zum Bereitstellen einer oder als Ausgangsmaterial für eine druckfeste(n) thermische(n) Isolationsschicht; – Aufbringen eines Band- oder Filamentmaterials außenseitig auf das Isolationsmaterial; wobei zumindest das Band- oder Filamentmaterial zum Erzielen eines starren, an der Außenseite der Isolationsschicht anliegenden tragenden Abschnittes des Mantels ausgehärtet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Band- oder Filamentmaterial ein Fasern umfassendes oder ein aus Fasern bestehendes Material aufgelegt oder aufgewickelt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Band- oder Filamentmaterial ein Kohlenstofffasern, Glasfasern und/oder Synthetikfasern, insbesondere Aramidfasern umfassendes Material verwendet wird.
  4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Band- oder Filamentmaterial ein mit einem Kunststoff-Matrixmaterial vorimprägniertes Material (Prepreg-Material) verwendet wird und/oder dass das Band- oder Filamentmaterial nach dem Aufbringen einem Infusionsverfahren mit einem Kunststoff-Matrixmaterial unterzogen wird und das imprägnierte oder infiltrierte Band- oder Filamentmaterial ausgehärtet wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoff-Matrixmaterial ein Kunststoffharz ist oder umfasst und durch Erwärmung ausgehärtet wird oder dass das Kunststoff-Matrixmaterial ein Thermoplastmaterial ist oder umfasst, das beim Aufbringen erwärmt und durch Erkalten ausgehärtet wird.
  6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Isolationsmaterial ein Fasern umfassendes oder ein aus Fasern bestehendes Material aufgelegt oder aufgewickelt wird, insbesondere ein Faserfilzmaterial.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern Kohlenstofffasern und/oder Oxidkeramikfasern sind, insbesondere Aluminiumoxidfasern oder Mullitfasern.
  8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Isolationsmaterial ein mit einem Kunststoff-Matrixmaterial vorimprägniertes Material (Prepreg-Material) verwendet wird und/oder dass das Isolationsmaterial nach dem Aufbringen einem Infusionsverfahren mit einem Kunststoff-Matrixmaterial unterzogen wird und das imprägnierte oder infiltrierte Isolationsmaterial ausgehärtet wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoff-Matrixmaterial ein Kunststoffharz ist oder umfasst und durch Erwärmung ausgehärtet wird oder dass das Kunststoff-Matrixmaterial ein Thermoplastmaterial ist oder umfasst, das beim Aufbringen erwärmt und durch Erkalten ausgehärtet wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolationsmaterial und das Band- oder Filamentmaterial nach dem Aufbringen gemeinsam einem Infusionsverfahren mit einem Kunststoff-Matrixmaterial unterzogen werden und dass die infiltrierten Materialien gemeinsam ausgehärtet werden.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Isolationsmaterial ein platten- oder schalenförmiger eigensteifer Isolationskörper auf die Stützeinrichtung aufgebracht wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolationskörper aus vorgefertigten, modular zusammenfügbaren Segmenten zusammengesetzt wird, die beispielweise radial und/oder axial aneinandergefügt werden.
  13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolationskörper ein Matrixmaterial mit darin aufgenommenen Fasern umfasst oder bildet, wobei die Fasern insbesondere nicht-isotrop ausgerichtet in das Matrixmaterial eingebettet sind.
  14. Mantel einer Festbrennstoffrakete, hergestellt nach einem Verfahren der Ansprüche 1 bis 13.
  15. Festbrennstoffrakete, umfassend einen Mantel (12; 104) mit einer tragenden äußeren Struktur und einer innenseitig am Mantel (12; 104) angeordneten druckfesten thermischen Isolationsschicht (110), wobei zumindest die äußere Struktur des Mantels (12; 104) aus einem Verbundwerkstoff gefertigt ist.
  16. Festbrennstoffrakete nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff ein Faserverbundwerkstoff ist und dass die äußere Struktur des Mantels (12; 104) eine Matrix (67; 116) aus einem Kunststoffmaterial und in diese eingebettete Fasern (63) umfasst.
  17. Festbrennstoffrakete nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (110) aus einem Faserverbundwerkstoff gefertigt ist und eine Matrix (116) aus einem Kunststoffmaterial und in diese eingebettete Fasern (112) umfasst, insbesondere dass der Mantel (12; 104) an der äußeren Struktur und der Isolationsschicht (110) ein identisches Matrixmaterial aufweist.
  18. Vorrichtung zum Herstellen eines innenseitig mit einer thermischen Isolation versehenen Mantels (12; 104; 120) einer Festbrennstoffrakete (118), insbesondere nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, umfassend eine Stützeinrichtung (14; 82), auf die ein Isolationsmaterial (32; 102) aufbringbar ist, mindestens eine Aufbringeinrichtung (18) zum Aufbringen des Isolationsmaterials (32, 102) und zum Aufbringen eines Band- oder Filamentmaterials (20) auf das Isolationsmaterial (32; 102) oder auf eine dieses umfassende Isolationsschicht (110).
  19. Verfahren zum Herstellen einer Festbrennstoffrakete, umfassend die folgenden Schritte: – Bereitstellen einer Stützeinrichtung; – Aufbringen eines Band- oder Filamentmaterials außenseitig auf die Stützeinrichtung; – Aushärten des Band- oder Filamentmaterials zum Erzielen eines starren Mantels der Festbrennstoffrakete; – Einbringen eines Festbrennstoffs in den vom Mantel gebildeten Aufnahmeraum derart, dass der Festbrennstoff in unmittelbarem Kontakt mit dem Mantel steht, ohne oder im Wesentlichen ohne ein zwischen dem Mantel und dem Festbrennstoff angeordnetes Isolationsmaterial.
  20. Festbrennstoffrakete, umfassend einen Mantel (122) als tragende Struktur, welcher aus einem Verbundmaterial gefertigt ist, sowie einen Festbrennstoff (130), der in einem vom Mantel (122) gebildeten Aufnahmeraum angeordnet ist und in unmittelbarem Kontakt mit dem Mantel (122) steht, wobei die Festbrennstoffrakete (124) frei oder im Wesentlichen frei von einem zwischen dem Mantel (122) und dem Festbrennstoff (130) angeordneten Isolationsmaterial ist.
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