DE102018131397A1

DE102018131397A1 - Finelement und Flugkörper

Info

Publication number: DE102018131397A1
Application number: DE102018131397.7A
Authority: DE
Inventors: Henning Elsäßer; Tobias Ruhe
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2018-12-07
Filing date: 2018-12-07
Publication date: 2020-06-10

Abstract

Es wird ein Finelement (114), insbesondere für einen Flugkörper (100), bereitgestellt, wobei das Finelement (114) ein Plattenelement (118) aus einem Sandwichmaterial (136), umfassend ein ersten Lagenelement (140), ein zweites Lagenelement (142) und ein zwischen dem ersten Lagenelement (140) und dem zweiten Lagenelement (142) angeordnetes Kernelement (138) umfasst, sowie ein Aufnahmeelement (116) zur Aufnahme des Plattenelements (118), wobei das Aufnahmeelement (116) in einem senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene (124) des Plattenelements (118) genommenen Querschnitt entlang Oberflächen (125) des Plattenelements (118) dünn ausläuft.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Finelement, insbesondere für einen Flugkörper.
Die Erfindung betrifft weiter einen Flugkörper, umfassend ein oder mehrere erfindungsgemäße Finelemente.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Finelement bereitzustellen, welches möglichst einfach und kostengünstig herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Finelement, insbesondere für einen Flugkörper gelöst, wobei das Finelement Folgendes umfasst:

- ein Plattenelement aus einem Sandwichmaterial, umfassend ein erstes Lagenelement, ein zweites Lagenelement und ein zwischen dem ersten Lagenelement und dem zweiten Lagenelement angeordnetes Kernelement; und
- ein Aufnahmeelement zur Aufnahme des Plattenelements,

Der Flugkörper ist bevorzugt eine Rakete.
Dadurch, dass das Aufnahmeelement entlang Oberflächen des Plattenelements dünn ausläuft, weist das Finelement vorzugsweise eine aerodynamisch günstige Form auf, an welcher Luft oder in der Atmosphäre enthaltene Moleküle bei einem Wiedereintritt in die Erdatmosphäre derart abgelenkt werden kann/können, so dass sie schräg oder längs der Haupterstreckungsebene des Plattenelements an dem Finelement entlang strömt/strömen.
Darüber hinaus kann das Aufnahmeelement einen Schutz und eine Stabilisation des Plattenelements bilden.
Das Aufnahmeelement dient neben der Aufnahme des Plattenelements vorzugsweise einer Fixierung des Finelements an dem Flugkörper.
Eines, mehrere oder sämtliche der Elemente (erstes Lagenelement, zweites Lagenelement und Kernelement) können als eigenständiger Körper handhabbar sein. Das erste Lagenelement, das zweite Lagenelement und das Kernelement können jeweils als einteiliger oder mehrteiliger Körper ausgebildet sein. Bei einer Herstellung des Plattenelements werden beispielsweise die unterschiedlichen Körper miteinander verbunden.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass eines, mehrere oder sämtliche der Elemente (erstes Lagenelement, zweites Lagenelement und Kernelement) mittels sukzessivem Auftrag in einer oder mehreren Schichten entstehen. Eines, mehrere oder sämtliche sukzessiv hergestellte Elemente sind insbesondere nur im Verbund mit anderen Elementen des Plattenelements handhabbar.
Gleiches gilt auch für Lagen eines Thermalschutzmaterials. Auf eine erste Lage eines Thermalschutzmaterials und eine zweite Lage eines Thermalschutzmaterials wird später noch genauer eingegangen.
Unter „Finelement“ ist im Sinne der Erfindung vorzugsweise ein Element zu verstehen, welches aerodynamische Stabilisierungs- und/oder Steuerungsflächen umfasst.
Vorzugsweise umfasst das Kernelement Balsaholz oder ist aus Balsaholz. Dies kann den Vorteil bieten, dass das Finelement ein geringes Gewicht im Vergleich zu Faserverbundmaterialkernelementen aufweist.
Es kann vorgesehen sein, dass Bereiche des Kernelements aus Balsaholz hergestellt sind und dass andere Bereiche aus einem von Balsaholz verschiedenen Material, beispielsweise aus einem Faserverbundmaterial, gebildet sind. Die verschiedenen Bereiche sind insbesondere stoffschlüssig und/oder kraftschlüssig und/oder formschlüssig miteinander verbunden.
„Balsaholz“ bedeutet im Sinne der Erfindung Holz eines Balsabaums, vorzugsweise aus einem Stamm eines Balsabaums. Es können jedoch auch Äste des Balsabaums zur Herstellung des Kernelements verwendet werden.
(Technisches) Balsaholz, welches zur Verwendung als Kernelement in Finelementen geeignet ist, ist in unterschiedlichen Festigkeiten kommerziell erhältlich.
Dadurch, dass Balsaholz offenporös ist, kann bei einem Aufstieg des Flugkörpers in Poren des Kernelements vorhandene Luft entweichen. Entlüftungsbohrungen, wie sie in geschlossenporös ausgebildeten Elementen notwendig sind, können daher entbehrlich sein.
Offenporös bedeutet, dass das Balsaholz Hohlräume (Poren) enthält, welche mit einer Umgebung in Verbindung stehen.
Insbesondere weisen Fasern in Balsaholz eine Vorzugsrichtung auf, welche in der Haupterstreckungsebene des Plattenelements liegt. Hierdurch ist das Balsaholz vorzugweise druckfest in Kraftrichtungen, welche senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Plattenelements angeordnet sind.
Es kann vorgesehen sein, dass das Aufnahmeelement einen ersten Stabilisationsabschnitt und einen zweiten Stabilisationsabschnitt umfasst, wobei das Plattenelement zwischen dem ersten Stabilisationsabschnitt und dem zweiten Stabilisationsabschnitt aufgenommen ist und wobei das Aufnahmeelement im Bereich der Stabilisationsabschnitte in einem senkrecht zu der Haupterstreckungsebene des Plattenelements genommen Querschnitt entlang Oberflächen des Plattenelements dünn ausläuft.
Das Aufnahmeelement ist vorzugsweise aus zwei Teilen gebildet, welche stoffschlüssig und/oder formschlüssig und/oder kraftschlüssig miteinander verbunden sind.
Alternativ ist das Aufnahmeelement einteilig hergestellt.
Vorteilhaft kann es sein, wenn der erste Stabilisationsabschnitt und der zweite Stabilisationsabschnitt in einem senkrecht zu der Haupterstreckungsebene des Plattenelements genommene Querschnitt entlang Oberflächen des Plattenelements jeweils bis auf eine minimale Dicke von ca. 0,1 mm bis ca. 2 mm, insbesondere von ca. 1 mm bis ca. 2 mm, beispielsweise auf eine Dicke von ca. 1,5 mm, auslaufen.
Innere Oberflächen der Stabilisationsabschnitte, welche dem Plattenelement in montiertem Zustand zugewandt sind, sind insbesondere parallel zu der Haupterstreckungsebene des Plattenelements angeordnet.
Zum Schutz des ersten Lagenelements und des zweiten Lagenelements kann es vorteilhaft sein, wenn eine erste Lage eines Thermalschutzmaterials auf dem ersten Lagenelement des Plattenelements angeordnet ist und wenn eine zweite Lage eines Thermalschutzmaterials auf dem zweiten Lagenelement des Plattenelements angeordnet ist.
Die erste Lage und/oder die zweite Lage weisen vorzugsweise jeweils eine Dicke von ca. 1 mm bis ca. 3 mm, beispielsweise ca. 2 mm, auf. Die Dicke verläuft senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene der ersten Lage bzw. zweiten Lage.
Mittels der ersten Lage eines Thermalschutzmaterials und der zweiten Lage eines Thermalschutzmaterials wird eine Innentemperatur des Plattenelements vorzugsweise unter 160°C gehalten. Das Thermalschutzmaterial brennt vorzugsweise kontrolliert ab und generiert so insbesondere ein Hitzeschild für das erste Lagenelement und das zweite Lagenelement, welche vorzugsweise aus Aluminium sind.
Durch die erste Lage und die zweite Lage des Thermalschutzmaterials werden insbesondere die gesamten Seitenflächen des Finelements vor hohen Temperaturen geschützt, welche beim Wiedereintritt in die Atmosphäre oder während des Flugs auftreten können.
Insbesondere bedeckt die erste Lage des Thermalschutzmaterials den ersten Stabilisationsabschnitt des Aufnahmeelements zumindest teilweise oder vollständig. Die zweite Lage des Thermalschutzmaterials bedeckt vorzugsweise den zweiten Stabilisationsabschnitt des Aufnahmeelements zumindest teilweise oder vollständig.
So können vergleichsweise filigrane Elemente (die Stabilisationsabschnitte), welche schnell erwärmt werden und insbesondere mechanisch belastet sind, geschützt werden.
Das Thermalschutzmaterial umfasst vorzugsweise ein Kork-Phenolharzmaterial oder ist daraus gebildet. Dies ist insbesondere kostengünstig. Das Kork-Phenolharzmaterial dient insbesondere als Ablatormaterial.
Eine Dichte des Thermalschutzmaterials liegt vorzugsweise in einem Bereich von ca. 200 kg/m³ bis ca. 1200 kg/m³.
Eine Wärmeleitfähigkeit des Thermalschutzmaterials liegt vorzugsweise bei ca. 0,5 W/(m.K) oder weniger, insbesondere bei ca. 0,1 W/(m.K) oder weniger.
Das Thermalschutzmaterial liegt vorzugsweise als Plattenmaterial vor und ist stoffschlüssig, vorzugsweise mittels einer Klebstoffschicht, insbesondere mittels einer Epoxidharz-Klebstoffschicht, mit dem ersten Lagenelement und mit dem zweiten Lagenelement verbunden.
Alternativ kann das Thermalschutzmaterial auf das erste Lagenelement und das zweite Lagenelement aufgespritzt werden.
Gemäß einer weiteren Alternative kann das Thermalschutzmaterial eine Thermalschutzfarbe oder ein Thermalschutzlack sein.
Als Thermalschutzmaterial sind auch Aerogele geeignet.
Die erste und die zweite Lage sind vorzugsweise aus demselben Thermalschutzmaterial gebildet.
Die erste Lage des Thermalschutzmaterials ist vorzugsweise stoffschlüssig, insbesondere mittels einer Klebstoffschicht, beispielsweise mittels einer Epoxidharz-Klebstoffschicht, mit dem ersten Stabilisationsabschnitt verbunden.
Die zweite Lage aus Thermalschutzmaterial ist vorzugsweise stoffschlüssig, insbesondere mittels einer Klebstoffschicht, beispielsweise mittels einer Epoxidharz-Klebstoffschicht, mit dem zweiten Stabilisationsabschnitt verbunden.
Die erste Lage und die zweite Lage des Thermalschutzmaterials sind vorzugsweise auf äußere Oberflächen der Stabilisationsabschnitte aufgebracht.
Äußere Oberflächen der Stabilisationsabschnitte bezeichnen von dem Plattenelement abgewandte Oberflächen.
Vorzugsweise weisen der erste Stabilisationsabschnitt und der zweite Stabilisationsabschnitt des Aufnahmeelements von dem Plattenelement abgewandt jeweils schräg zu der Haupterstreckungsebene des Plattenelements verlaufende äußere Oberflächen auf. Insbesondere schließen Ebenen, durch welche die äußeren Oberflächen der Stabilisationsabschnitte verlaufen, jeweils einen Winkel von ca. 6° bis ca. 15°, insbesondere ca. 8°, mit der Haupterstreckungsebene des Plattenelements ein.
Es kann vorgesehen sein, dass die äußeren Oberflächen der Stabilisationsabschnitte abschnittsweise oder vollständig gewölbt, insbesondere konkav bezüglich der Haupterstreckungsebene des Plattenelements, ausgebildet sind. In diesem Fall sind die Ebenen, durch welche die äußeren Oberflächen des ersten Stabilisationsabschnitts und des zweiten Stabilisationsabschnitts verlaufen, vorzugsweise Tangentialebenen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die äußeren Oberflächen der Stabilisationsabschnitte im Wesentlichen eben ausgebildet.
Vorzugsweise ist das Aufnahmeelement aus einem metallischen Material, insbesondere aus Aluminium, gebildet.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass das Aufnahmeelement aus Stahl oder einem hochtemperaturstabilen Polymermaterial ist.
Beispielsweise ist das Aufnahmeelement ein Aluminiumfrästeil.
Das Finelement bildet vorzugsweise einen sogenannten Finschuh.
Vorteilhaft kann es sein, wenn das Plattenelement stoffschlüssig an und/oder bereichsweise in dem Aufnahmeelement festgelegt ist, insbesondere mittels einer Klebstoffschicht.
Als Klebstoff hat sich aufgrund seiner erhöhten Beständigkeit ein Epoxidharz-Klebstoff als besonders bevorzugt erwiesen.
Das erste Lagenelement ist vorzugsweise aus einem Faserverbundmaterial, insbesondere einem Kohlenstofffaserverbundmaterial oder einem Glasfaserverbundmaterial, oder einem metallischen Material, insbesondere Stahl oder Aluminium, gefertigt.
Das zweite Lagenelement ist vorzugsweise aus einem Faserverbundmaterial, insbesondere einem Kohlenstofffaserverbundmaterial oder einem Glasfaserverbundmaterial, oder einem metallischen Material, insbesondere Stahl oder Aluminium, gefertigt.
Günstig kann es sein, wenn das erste Lagenelement und/oder das zweite Lagenelement im Wesentlichen aus Blechen oder Platten gefertigt sind. Dies kann zu einer vereinfacht handhabbaren Herstellung oder Weiterverarbeitung des Sandwichmaterials führen.
Es kann vorgesehen sein, dass das erste Lagenelement stoffschlüssig, insbesondere mittels einer Klebstoffschicht, beispielsweise mittels einer Epoxidharz-Klebstoffschicht, mit dem Kernelement verbunden ist.
Ergänzend oder alternativ ist das zweite Lagenelement stoffschlüssig, insbesondere mittels einer Klebstoffschicht, beispielsweise mittels einer Epoxidharz-Klebstoffschicht, mit dem Kernelement verbunden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind sowohl das erste Lagenelement als auch das zweite Lagenelement jeweils aus Platten zugeschnitten, beispielsweise mittels Laserschneidens oder Wasserstrahlschneidens, und mittels einer Epoxidharz-Klebstoffschicht, insbesondere kalt, mit dem Kernelement verklebt.
In Ausführungsformen, in welchen das Kernelement Balsaholz umfasst oder aus Balsaholz ist, sind zumindest die Bereiche aus Balsaholz mittels Sägens einfach bearbeitbar, was die Herstellung des Plattenelements erleichtern kann.
Das zuvor beschriebene Plattenelement ist insbesondere kostengünstig in der Herstellung im Vergleich zu herkömmlichen Sandwichmaterialien, beispielsweise mit einem Kernelement aus einem Faserverbundmaterial.
Das Finelement umfasst vorzugsweise ein Kantenelement, welches an einem von dem Aufnahmeelement abgewandten Rand des Plattenelements angeordnet ist. Das Kantenelement weist an einem dem Plattenelement abgewandten Ende insbesondere eine Kante auf.
Das Kantenelement bildet vorzugsweise eine Nasenkante zur Verbesserung der Aerodynamik, insbesondere eine ablative Nasenkante. Hierbei kann das Kantenelement einen Hitzeschutz bilden.
Günstig kann es sein, wenn das Kantenelement ein Thermalschutzelement ist.
Vorzugsweise ist das Kantenelement aus einem Faserverbundmaterial, insbesondere bei einem Polymerharzmaterial und darin eingebetteten Fasern, beispielsweise einem Phenolharzmaterial und darin eingebetteten Phenolfasern, gefertigt.
Die Fasern sind vorzugsweise Kurzfasern, insbesondere Kurzphenolfasern.
„Kurzfasern“ weisen vorzugsweise eine durchschnittliche Länge von ca. 5 mm bis ca. 100 mm, insbesondere eine durchschnittliche Länge von ca. 10 mm bis ca. 20 mm auf.
Während eines Wiedereintritts in die Atmosphäre oder während eines Flugs einer Rakete degradieren und/oder ablatieren Kantenelemente, umfassend Phenolfasern und/oder ein Phenolharzmaterial, aufgrund der hohen Temperaturen insbesondere kontrolliert. Die guten ablativen Eigenschaften der Phenolfasern und des Phenolharzes kommen hierbei vorzugsweise zum Tragen.
Ein E-Modul der Phenolfasern ist vorzugsweise gering.
Da das erste und das zweite Lagenelement des Plattenelements, welche an das Kantenelement angrenzen, vorzugsweise aus Aluminium gefertigt ist, sind aufgrund des geringen E-Moduls der Phenolfasern resultierende Spannungen aus thermisch bedingten Dehnungen vorzugsweise minimiert.
Daraus resultiert insbesondere eine vergleichsweise hohe Formstabilität des Kantenelements.
Phenolfasern weisen darüber hinaus im Vergleich zu Glasfasern eine verringerte Dichte auf und sind leichter.
Alternativ können anstelle von Phenolfasern auch Glasfasern oder Kohlenstofffasern verwendet werden.
Die Erfindung betrifft ferner einen Flugkörper, insbesondere eine Rakete, umfassend ein oder mehrere erfindungsgemäße Finelemente.
Die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Finelement ausgeführten Merkmale und/oder Vorteile gelten für den erfindungsgemäßen Flugkörper gleichermaßen.
Weitere bevorzugte Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.
In den Zeichnungen zeigen:

1 eine schematische Seitenansicht einer Rakete, umfassend vier Finelemente;
2 eine schematische Draufsicht auf ein Finelement, welches ein Kantenelement und ein Aufnahmeelement umfasst;
3 eine schematische perspektivische Ansicht des Finelements aus 2;
4 einen Ausschnitt einer schematischen Schnittansicht des Finelements aus 2 und 3 senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene des Finelements; und
5 einen weiteren Ausschnitt einer schematischen Schnittansicht des Finelements aus den 2 bis 4 senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene des Finelements.

Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in sämtlichen Figuren mit demselben Bezugszeichen versehen.
Ein Flugkörper 100 in Form einer Rakete 102 ist in 1 dargestellt. Die Rakete 102 umfasst einen im Wesentlichen zylinderförmigen Grundkörper 104, ein Kopfteil 108 und ein Heckteil 110. Das Kopfteil ist in Flugrichtung 108 vorne angeordnet, während das Heckteil 110 ein bezüglich der Flugrichtung 108 hinteres Ende bildet.
Wie in 1 zu sehen ist, weist das Kopfteil eine sich in Flugrichtung 106 verjüngende Form auf, welche aerodynamisch günstig ist. Eine Spitze der Rakete 102 ist auf der Längsmittelachse 112 der Rakete 102 angeordnet.
Das Heckteil 110 umfasst vorliegend vier Finelemente 114, welche einer Stabilisation einer Flugbahn der Rakete 102 dienen. Die Finelemente 114 erstrecken sich radial von dem Grundkörper 104 weg.
Haupterstreckungsebenen von zwei in Umfangsrichtung der Rakete 102 nebeneinander angeordneten Finelementen 114 schließen bei vier Finelementen 114 einen Winkel von ca. 90° ein.
Die Finelemente 114 sind vorzugsweise rotationssymmetrisch bezüglich einer Längsmittelachse der Rakete 102 angeordnet.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass eine Rakete 102 mehrere Reihen von Finelementen 114 umfasst, wobei die Reihen in Flugrichtung 108 hintereinander angeordnet sind. Die Finelemente 114 von zwei in Flugrichtung 108 aufeinanderfolgenden Reihen sind dabei jeweils in Umfangsrichtung der Rakete 102 versetzt zueinander angeordnet.
Wie insbesondere in den 2 bis 5 zu sehen ist, umfasst ein Finelement 114 ein Aufnahmeelement 116, ein Plattenelement 118 und ein Kantenelement 120.
Das Aufnahmeelement 116, vorliegend ein Finschuh 122, dient der Festlegung des Plattenelements 118 an dem Grundkörper 104 der Rakete 102.
Wie insbesondere in 4 zu sehen ist, ist das Aufnahmeelement 116 vorliegend aus zwei Teilen zusammengesetzt, wobei plattenförmig ausgebildete Verbindungsabschnitte des Aufnahmeelements 116 formschlüssig ineinandergreifen und insbesondere stoffschlüssig und/oder kraftschlüssig und/oder formschlüssig miteinander verbunden sind.
In einem senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene 124 des Plattenelements 118 genommenen Querschnitt ist das Plattenelement 118 zwischen einem ersten Stabilisationsabschnitt 126a und einem zweiten Stabilisationsabschnitt 126b des Aufnahmeelements 116 aufgenommen.
Der erste Stabilisationsabschnitt 126a und der zweite Stabilisationsabschnitt 126b sind einander gegenüberliegend ausgebildet.
Der erste Stabilisationsabschnitt 126a und der zweite Stabilisationsabschnitt 126b laufen jeweils an einem in einem montierten Zustand von dem Grundkörper 104 abgewandten Ende dünn aus. Eine Dicke der Stabilisationsabschnitte 126a, 126b nimmt jeweils in einer von dem Aufnahmeelement 116 weg weisenden Richtung 127 entlang von (äußeren) Oberflächen 125 des Plattenelements 118 ab (vgl. 4).
Vorliegend umfasst das Aufnahmeelement 116 einen Fixierungsabschnitt 128, welcher einer Fixierung des Finelements 114 an dem Grundkörper 104 der Rakete 102 dient. Der Fixierungsabschnitt 128 grenzt im montierten Zustand direkt an den Grundkörper 104 an und ist mittels Schrauben an dem Grundkörper 104 festgelegt. Ergänzend oder alternativ kann der Fixierungsabschnitt 128 auch mit einem Epoxidharz-Klebstoff an dem Grundkörper 104 festgeklebt sein.
An den Fixierungsabschnitt 128 schließen sich der erste Stabilisationsabschnitt 126a und der zweite Stabilisationsabschnitt 126b, insbesondere einstückig, an. Die Stabilisationsabschnitte 126a, 126b umfassen jeweils einen Übergangsabschnitt 130, welcher in einer von dem Fixierungsabschnitt 128 weg weisenden Richtung 127 zu dem Plattenelement 118 hin geneigt ausgebildet ist. Die Übergangsabschnitte 130 bilden vorliegend jeweils einen Übergang zwischen dem Fixierungsabschnitt 120 und Auslaufabschnitten 132 der Stabilisationsabschnitte 126a, 126b.
An einer von dem Fixierungsabschnitt 128 abgewandten Seite schließt sich an die beiden Stabilisationsabschnitte 126a, 126b jeweils ein Auslaufabschnitt 132 an. Die Auslaufabschnitte 132 verjüngen sich in einer von dem Fixierungsabschnitt 128 weg weisenden Richtung 127. Ebenen, welche durch äußere Oberflächen 134 der Auslaufabschnitte 132 verlaufen, schließen jeweils einen Winkel von ca. 5° bis ca. 30°, insbesondere ca. 8°, mit der Haupterstreckungsebene 124 des Plattenelements 118 ein. Die äußeren Oberflächen 134 der Auslaufabschnitte 132 entsprechen im Wesentlichen äußeren Oberflächen des ersten Stabilisationsabschnitts 126a und des zweiten Stabilisationsabschnitts 126b.
Die äußeren Oberflächen 134 der Auslaufabschnitte 132 sind in der von dem Fixierungsabschnitt 128 weg weisenden Richtung 127 zueinander geneigt ausgebildet.
Auf der äußeren Oberfläche 134 des ersten Stabilisationsabschnitts 126a ist vorliegend eine erste Lage 143a eines Thermalschutzmaterials stoffschlüssig, beispielsweise mittels einer Epoxidharz-Klebstoffschicht, festgelegt, sodass die äußere Oberfläche 134 des ersten Stabilisationsabschnitts 126b im Wesentlichen vollständig von Teilen der ersten Lage 143a bedeckt und/oder abgedeckt ist.
Die äußere Oberfläche 134 des zweiten Stabilisationsabschnitts 126b ist vorliegend im Wesentlichen vollständig von einer zweiten Lage 143b eines Thermalschutzmaterials bedeckt und/oder abgedeckt. Die zweite Lage 143b des Thermalschutzmaterials ist stoffschlüssig, beispielsweise mittels einer Epoxidharz-Klebstoffschicht, mit der äußeren Oberfläche 134 des zweiten Stabilisationsabschnitts 126b verbunden.
Die Übergangsabschnitte 130 sind vorliegend nicht von der ersten Lage 143a bzw. der zweiten Lage 143b des Thermalschutzmaterials bedeckt.
Die Stabilisationsabschnitte 126a, 126b laufen vorliegend im Bereich der Auslaufabschnitte 132 jeweils bis auf eine Dicke von 1,5 mm aus. Die Dicke ist dabei senkrecht zu der Haupterstreckungsebene 124 des Plattenelements 118 angegeben.
Übergänge zwischen dem ersten Stabilisationsabschnitt 126a und dem ersten Lagenelement 140 und zwischen dem zweiten Stabilisationsabschnitt 126b und dem zweiten Lagenelement 142 sind von der ersten Lage 143a bzw. der zweiten Lage 143b des Thermalschutzmaterials abgedeckt, wodurch ein thermischer und/oder mechanischer Schutz entsteht.
Das Thermalschutzmaterial ist vorliegend ein Kork-Phenolharzmaterial, welches eine Dichte in einem Bereich von ca. 200 kg/m³ bis ca. 1200 kg/m³ aufweist.
Eine Wärmeleitfähigkeit des Kork-Phenolharzmaterials liegt vorliegend bei ca. 0,1 W/(m.K) oder weniger.
Eine spezifische Wärme des Kork-Phenolharzmaterials liegt vorliegend in einem Bereich von ca. 2 kJ/(kg·K) bis ca. 3 kJ/(kg·K).
Eine Zugfestigkeit des Kork-Phenolharzmaterials liegt insbesondere in einem Bereich von ca. 2 Mpa bis ca. 3 Mpa.
Eine Bruchdehnung des Kork-Phenolharzmaterials liegt vorliegend in einem Bereich von ca. 5% bis ca. 7%, beispielsweise bei ca. 6%.
Es werden vorliegend Platten aus dem Kork-Phenolharzmaterial mit einer Dicke von ca. 2 mm als erste und zweite Lagen 143a, 143b eingesetzt.
Das Aufnahmeelement 116 ist vorliegend aus Aluminium hergestellt, beispielsweise gefräst. Alternativ kann es auch aus einem anderen metallischen Material oder einem temperaturstabilen Polymermaterial gefertigt sein.
Das Plattenelement 118 ist ein Sandwichmaterial 136. Es umfasst ein Kernelement 138, welches zwischen einem ersten Lagenelement 140 und einem zweiten Lagenelement 142 angeordnet ist. Das erste Lagenelement 140 und das zweite Lagenelement 142 bilden dabei ebenfalls einen Bestandteil des Sandwichmaterials 136.
Das erste Lagenelement 140 und das zweite Lagenelement 142 sind vorliegend aus Aluminium. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass das erste Lagenelement 140 und das zweite Lagenelement 142 aus einem anderen metallischen Material oder einem Faserverbundmaterial hergestellt sind.
Das Kernelement 138 ist aus Balsaholz 144 gefertigt, beispielsweise aus einer Balsaholzplatte ausgesägt. Aufgrund einer in dem Balsaholz enthaltenen offenen Porosität - also einer Verbindung von in dem Material enthaltenen Hohlräumen und der Umgebung - können Entlüftungsbohrungen damit Luft bei einem Aufsteigen der Rakete 102 entweichen kann, entbehrlich sein.
Sowohl das Kernelement 138 und das erste Lagenelement 140 als auch das Kernelement 138 und das zweite Lagenelement 142 sind vorliegend mittels einer Epoxidharz-Klebstoffschicht stoffschlüssig miteinander verbunden.
Das Plattenelement 118 ist mittels einer Epoxidharz-Klebstoffschicht an dem Aufnahmeelement 116 stoffschlüssig festgelegt.
Epoxidharz-Klebstoff hat den Vorteil, dass er auch extreme Bedingungen - wie einen Raketenstart und ein Aufsteigen der Rakete 102 - im Wesentlichen ohne Veränderung aushalten kann.
Wie insbesondere in 2 gezeigt ist, ist das Plattenelement 118 in einer Ansicht senkrecht zu der Haupterstreckungsebene 124 des Plattenelements 118 trapezförmig mit zwei parallelen Grundseiten und zwei Schenkeln 152 ausgebildet. So kann ein Luftwiderstand minimiert sein.
Sämtliche Elemente des Plattenelements 118 sind vorliegend aus Platten gefertigt, welche schneidbar sind. Durch diese vergleichsweise einfache Herstellung sind derart hergestellte Plattenelemente 118 in ihrer Größe ohne größeren Aufwand anpassbar.
Weitere Hilfsmittel sind vorzugsweise entbehrlich. Auch Designänderungen in einem Aufbau und ein Dickenverhältnis einzelner Elemente sind schnell und einfach adaptierbar.
Einer Ablenkung von auf eine Kante des Plattenelements 118 auftreffende Luft oder in der Atmosphäre enthaltenen Moleküle dient das Kantenelement 120 des Finelements 114, welches an einem von dem Aufnahmeelement 116 abgewandten Rand auf das Plattenelement 118 aufgesetzt ist. Wie insbesondere in 5 zu sehen ist, weist das Kantenelement 120 in einem senkrecht zu der Haupterstreckungsebene 124 des Plattenelements 118 genommenen Querschnitt zumindest näherungsweise eine Pfeilspitzenform auf.
Das Kantenelement 120 umfasst zwei äußere Oberflächen 146, welche zueinander geneigt ausgebildet sind. Ebenen, welche durch die äußeren Oberflächen 146 des Kantenelements 120 verlaufen, schließen einen spitzen Winkel, beispielsweise ca. 10° bis ca. 60°, beispielsweise ca. 15°, miteinander ein.
Das Kantenelement 120 umfasst ferner eine Kante 148, welche ein von dem Plattenelement 120 abgewandtes Ende des Kantenelements 120 bildet. Die Kante 148 bildet vorzugsweise eine aerodynamische Anlaufkante, welche eine Stabilisation der Flugbahn der Rakete 102 bilden kann.
Die Kante 148 weist in einem senkrecht zu der Haupterstreckungsebene 124 genommenen Querschnitt eine V-Form auf.
Die Kante 148 kann auch ein gepresstes Sonderprofil, beispielsweise in Form eines symmetrischen NACA-Profils, sein. NACA-Profile wurden für Tragflächen entwickelt, sind aber mit einer entsprechenden (Herstellungs-)Form auch für Kantenelemente 120 verwendbar.
Die Kante 148 des Kantenelements 120 ist mit ihrer (vorliegenden) V-Form dazu angeordnet und ausgebildet, eine Luft- oder Atmosphärenströmung in eine Richtung zu lenken, welche im Wesentlichen in der Haupterstreckungsebene 124 oder schräg dazu liegt.
Das Kantenelement 120 weist in dem senkrecht zu der Haupterstreckungsebene 124 des Plattenelements 118 genommenen Querschnitt eine Länge 145 auf, welche einer Länge eines Schenkels 152 des trapezförmigen Plattenelements 118 entspricht. Der Schenkel 152 ist vorliegend als längerer Schenkel der Trapez-Form ausgebildet.
Das Kantenelement 120 umfasst ferner einen Festlegungsabschnitt 150, welcher einer Festlegung des Kantenelements 120 an und bereichsweise in dem Plattenelement 118 dient. Der Festlegungsabschnitt 150 ist als quaderförmiger Vorsprung ausgebildet, welcher sich über die gesamte Länge 145 des Kantenelements 120 erstreckt.
Eine Dicke 154 des Festlegungsabschnitts 150 senkrecht zur Haupterstreckungsebene 124 des Plattenelements 118 entspricht im Wesentlichen einer Dicke 156 des Kernelements 138 senkrecht zur Haupterstreckungsebene 124 des Plattenelements 118.
Vorliegend stehen das erste Lagenelement 140 und das zweite Lagenelement 142 auf einer dem Kantenelement 120 zugewandten Seite über das Kernelement 138 hinaus. Es ist eine Ausnehmung 158 zwischen dem ersten Lagenelement 140 und dem zweiten Lagenelement 142 gebildet, in welche der Festlegungsabschnitt 150 eingreift. Die Ausnehmung 158 ist durch einen Überstand des ersten Lagenelements 140 und des zweiten Lagenelements 142 in der Haupterstreckungsebene 124 des Plattenelements 118 über das Kernelement 138 gebildet.
Der Festlegungsabschnitt ist 150 zwischen überstehendem ersten Lagenelement 140 und überstehendem zweitem Lagenelement 142 aufgenommen.
An von dem Kernelement 138 abgewandten Oberflächen des ersten Lagenelements 140 und des zweiten Lagenelements 142 liegen die erste Lage 143a bzw. die zweite Lage 143b des Thermalschutzmaterials an und grenzen an das Kantenelement 120 an.
Die erste Lage 143a des Kork-Phenolharzmaterials ist vorliegend mittels einer Epoxidharz-Klebstoffschicht an dem ersten Lagenelement 140 des Plattenelements 118 festgelegt.
Die zweite Lage 143b des Kork-Phenolharzmaterials ist vorliegend mittels einer Epoxidharz-Klebstoffschicht an dem zweiten Lagenelement 142 des Plattenelements 118 festgelegt.
Das Kantenelement 120 ist mit einer Klebstoffschicht, vorliegend einer Epoxidharz-Klebstoffschicht, an dem Plattenelement 118 festgelegt. Hierfür sind der Festlegungsabschnitt 150 und eine Wandung der Ausnehmung 158 mittels der Epoxidharz-Klebstoffschicht stoffschlüssig miteinander verbunden.
Die Wandung der Ausnehmung 158 ist vorliegend von einer Innenseite des ersten Lagenelements 140, einer Innenseite des zweiten Lagenelements 142 und einer Stirnseite des Kernelements 138 gebildet.
Das Kantenelement 120 ist vorliegend als ablative Nasenkante 160 ausgebildet und dient als Hitzeschild bei einem Wiedereintritt der Rakete 102 in die Erdatmosphäre.
Das Kantenelement 120 ist aus einem Faserverbundmaterial ausgebildet, welches ein Phenolharzmaterial 183a umfasst, in welches Phenolfasern, vorliegend Kurzphenolfasern 183b, eingebettet sind (in 5 eingezeichnet).
Alternativ kann auch ein anderes Polymerharzmaterial und/oder Fasern aus einem anderen Material, beispielsweise Glasfasern oder Kohlenstofffasern, verwendet werden.
Bezugszeichenliste

100: Flugkörper
102: Rakete
104: Grundkörper
106: Flugrichtung
108: Kopfteil
110: Heckteil
112: Längsmittelachse
114: Finelement
116: Aufnahmeelement
118: Plattenelement
120: Kantenelement
122: Finschuh
124: Haupterstreckungsebene
125: Oberfläche des Plattenelements
126a: erster Stabilisationsabschnitt
126b: zweiter Stabilisationsabschnitt
127: Richtung
128: Fixierungsabschnitt
130: Übergangsabschnitt
132: Auslaufabschnitt
134: äußere Oberfläche des Auslaufabschnitts
136: Sandwichmaterial
138: Kernelement
140: erstes Lagenelement
142: zweites Lagenelement
143a: erste Lage eines Thermalschutzmaterials
143b: zweite Lage eines Thermalschutzmaterials
144: Balsaholz
145: Länge
146: äußere Oberflächen
148: Kante
150: Festlegungsabschnitt
152: Schenkel
154: Dicke
156: Dicke
158: Ausnehmung
160: Nasenkante
183a: Phenolharzmaterial
183b: Kurzphenolfaser

Claims

Finelement (114), insbesondere für einen Flugkörper (100), wobei das Finelement (114) Folgendes umfasst: - ein Plattenelement (118) aus einem Sandwichmaterial (136), umfassend ein ersten Lagenelement (140), ein zweites Lagenelement (142) und ein zwischen dem ersten Lagenelement (140) und dem zweiten Lagenelement (142) angeordnetes Kernelement (138); und - ein Aufnahmeelement (116) zur Aufnahme des Plattenelements (118), wobei das Aufnahmeelement (116) in einem senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene (124) des Plattenelements (118) genommenen Querschnitt entlang Oberflächen (125) des Plattenelements (118) dünn ausläuft.
Finelement (114) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kernelement (138) Balsaholz (144) umfasst oder aus Balsaholz (144) ist.
Finelement (114) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufnahmeelement (116) einen ersten Stabilisationsabschnitt (126a) und einen zweiten Stabilisationsabschnitt (126b) umfasst, wobei das Plattenelement (118) zwischen dem ersten Stabilisationsabschnitt (126a) und dem zweiten Stabilisationsabschnitt (126b) aufgenommen ist und wobei das Aufnahmeelement (116) im Bereich der Stabilisationsabschnitte (126a, 126b) in einem senkrecht zu der Haupterstreckungsebene (124) des Plattenelements (118) genommenen Querschnitt entlang Oberflächen (125) des Plattenelements (118) dünn ausläuft.
Finelement (114) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Stabilisationsabschnitt (126a) und ein zweiter Stabilisationsabschnitt (126b) des Aufnahmeelements (116) in einem senkrecht zu der Haupterstreckungsebene (124) des Plattenelements (118) genommenen Querschnitt entlang Oberflächen (125) des Plattenelements (118) jeweils bis auf eine minimale Dicke von ca. 0,1 mm bis ca. 2 mm, insbesondere von ca. 1 mm bis ca. 2 mm, beispielsweise von ca. 1,5 mm, auslaufen.
Finelement (114) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Lage (143a) eines Thermalschutzmaterials auf dem ersten Lagenelement (140) des Plattenelements (118) angeordnet ist und dass eine zweite Lage (143b) eines Thermalschutzmaterials auf dem zweiten Lagenelement (142) des Plattenelements (118) angeordnet ist, wobei insbesondere die erste Lage (143a) des Thermalschutzmaterials einen ersten Stabilisationsabschnitt (126a) des Aufnahmeelements (116) zumindest teilweise oder vollständig bedeckt und wobei insbesondere die zweite Lage (143b) des Thermalschutzmaterials einen zweiten Stabilisationsabschnitt (126b) des Aufnahmeelements (116) zumindest teilweise oder vollständig bedeckt.
Finelement (114) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Thermalschutzmaterial einer ersten Lage (143a) eines Thermalschutzmaterials und ein Thermalschutzmaterial einer zweiten Lage (143b) eines Thermalschutzmaterials Kork-Phenolharzmaterial umfassen oder daraus gebildet sind.
Finelement (114) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Stabilisationsabschnitt (126a) und ein zweiter Stabilisationsabschnitt (126b) des Aufnahmeelements (116) von dem Plattenelement (118) abgewandt jeweils schräg zu der Haupterstreckungsebene (124) des Plattenelements (118) verlaufende äußere Oberflächen (134) aufweisen und/oder dass Ebenen, durch welche die äußeren Oberflächen (134) der Stabilisationsabschnitte (126a, 126b) verlaufen, jeweils einen Winkel von ca. 6° bis ca. 15°, insbesondere ca. 8°, mit der Haupterstreckungsebene (124) des Plattenelements (118) einschließen.
Finelement (114) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufnahmeelement (116) aus einem metallischen Material, insbesondere aus Aluminium, gebildet ist.
Finelement (114) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Plattenelement (118) stoffschlüssig an und/oder bereichsweise in dem Aufnahmeelement (116) festgelegt ist, insbesondere mittels einer Klebstoffschicht.
Finelement (114) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Lagenelement (140) aus einem Faserverbundmaterial, insbesondere einem Kohlenstofffaserverbundmaterial oder einem Glasfaserverbundmaterial, oder einem metallischen Material, beispielsweise Stahl oder Aluminium, gefertigt ist.
Finelement (114) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Lagenelement (142) aus einem Faserverbundmaterial, insbesondere einem Kohlenstofffaserverbundmaterial oder einem Glasfaserverbundmaterial, oder einem metallischen Material, beispielsweise Stahl oder Aluminium, gefertigt ist.
Finelement (114) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Lagenelement (140) und/oder das zweite Lagenelement (142) stoffschlüssig, insbesondere mittels einer Klebstoffschicht, beispielsweise mittels einer Epoxidharz-Klebstoffschicht, mit dem Kernelement (138) verbunden sind.
Finelement (114) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Finelement (114) ein Kantenelement (120) umfasst, welches an einem von dem Aufnahmeelement (116) abgewandten Rand des Plattenelements (118) angeordnet ist, wobei das Kantenelement (120) an einem dem Plattenelement (118) abgewandten Ende eine Kante (148) aufweist.
Finelement (114) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kantenelement (120) des Finelements (114) aus einem Faserverbundmaterial, insbesondere einem Polymerharzmaterial und darin eingebetteten Fasern, beispielsweise einem Phenolharzmaterial (183a) und darin eingebetteten Kurzphenolfasern (183b), gefertigt ist.
Flugkörper (100), umfassend ein oder mehrere Finelemente (114) nach einem der Ansprüche 1 bis 14.