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Die Erfindung betrifft ein Umbilical für ein Fahrzeug für zumindest temporäre Bewegung im Überschall- oder Hyperschallbereich.
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Solche Fahrzeuge sind beispielsweise Raketen, insbesondere Höhenforschungsraketen. Eine Höhenforschungsrakete ist eine üblicherweise unbemannte Rakete, mit deren Hilfe physikalische Messungen innerhalb oder auch außerhalb Atmosphäre durchgeführt werden. Dies sind meist meteorologische Messungen, wie solche des Luftdrucks, der Temperatur oder der Windgeschwindigkeit, aber auch andere Messungen, wie die Untersuchung der elektrischen Eigenschaften der Ionosphäre. Daneben werden mit Hilfe von Höhenforschungsraketen auch astronomische Beobachtungen oder materialwissenschaftliche Untersuchungen durchgeführt. Bei physikalischen Messungen außerhalb der Atmosphäre kann die Abwesenheit der Atmosphäre beispielsweise für einen reibungsarmen, freien Fall genutzt werden.
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Genauer betrifft die Erfindung ein Umbilical für ein Fahrzeug für zumindest temporäre Bewegung im Überschall- oder Hyperschallbereich, mit dessen Hilfe ein passiver Trennvorgang von mindestens einem Verbindungselement zum Material- und/oder Energie- und/oder Informationsaustausch des Fahrzeugs mit einem Ground Support Equipment bei einem Start des Fahrzeugs möglich ist.
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Als Überschallgeschwindigkeit wird die Geschwindigkeit von Objekten bezeichnet, wenn sie größer ist als die Schallgeschwindigkeit, d. h. wenn sich die Objekte schneller bewegen, als sich der Schall im selben Medium ausbreitet. Bei 20 °C beträgt die Schallgeschwindigkeit in trockener Luft 343,2 m/s (1235 km/h). Die relative Geschwindigkeit eines Objektes zur Schallgeschwindigkeit in Luft wird auch mit der dimensionslosen Mach-Zahl bezeichnet. Es handelt sich bei der Machzahl um das Verhältnis der Strömungsgeschwindigkeit zur u.a. temperaturabhängigen Schallgeschwindigkeit. Obwohl mit dem Begriff Überschallgeschwindigkeit prinzipiell alle Geschwindigkeiten mit einer Machzahl > 1 bezeichnet werden, unterscheidet man zusätzlich noch den Bereich der Machzahlen > 5 durch den Begriff der Hyperschallgeschwindigkeit, da sich hier nicht nur die aerodynamischen Eigenschaften, sondern zusätzlich die chemische Zusammensetzung des strömenden Mediums ändern, sodass das Medium andere Strömungseigenschaften aufweist. Insbesondere bei der Bewegung eines Fahrzeugs im Bereich der Hyperschallgeschwindigkeit stellt die Erwärmung der äußeren Fahrzeugschicht durch die Reibung in dem Medium, in dem sich das Fahrzeug bewegt, beispielsweise die Erdatmosphäre, ein Problem dar.
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Höhenforschungsraketen stellen Plattformen dar, die Nutzlasten im Sinne von wissenschaftlichen Experimenten einen Zugang zu Mikrogravitationsumgebung verschaffen. Sowohl die Experimente als auch die Rakete selbst benötigen vor ihrem Flug zum späteren autarken Ausführen ihrer Funktion nicht selten einen Material-, Energie- und/oder Informationsaustausch mit ihrer Umwelt. Unter Umwelt versteht man in diesem Zusammenhang alle außerhalb der Rakete befindlichen Aggregate, Schaltvorrichtungen und weitere Ausrüstungen, die die individuellen Bedarfe zur Erfüllung der Funktionsfähigkeit bedienen. Dieses sogenannte GSE (Ground Support Equipment) ist dabei üblicherweise in unmittelbarer Nähe zur Rakete an deren Startvorrichtung aufgestellt. Schläuche und Kabel verbinden das GSE mit den Schnittstellen an der Rakete. Diese Schnittstellen werden im Allgemeinen als „Umbilical“ bezeichnet. Beim Start der Rakete müssen diese Schläuche und Kabel von der Rakete getrennt werden. Es gibt grundsätzlich zwei Möglichkeiten, den Trennvorgang der Verbindungen beim Start des Fahrzeugs zu realisieren. Bei dem aktiven Trennvorgang werden über komplexe Mechanismen Konnektoren, die die Verbindung der Schläuche und Kabel zum Fahrzeug darstellen, über einen Arm weggefahren. Die Konnektoren können beispielsweise als Steckverbinder, aufweisend einen Stecker und eine entsprechende Kupplung, ausgeführt sein. Steckverbinder dienen zum Trennen und Verbinden von Leitungen für beispielsweise elektrische Energie, optischer Strahlung, oder auch flüssigen oder gasförmigen Medien. Die Verbindungsteile werden üblicherweise als Stecker und zugehörige Kupplung bezeichnet, wobei Stecker und zugehörige Kupplung durch Formschluss passend ausrichtbar und beispielsweise durch Federkraft kraftschlüssig lösbar fixierbar sind. Dabei stellt der Stecker den männlichen Teil eines Steckverbinders dar, der in den weiblichen Teil, d. h. Kupplung, einführbar ist. Beim passiven Trennvorgang werden die Konnektoren in einem Winkel zwischen 0° und 90°, üblicherweise zwischen 40° und 50°, insbesondere in einem Winkel von 45° zur Flugachse angeordnet und mit biegeschlaffen Verbindungselementen, z.B. Seilen, an der Startvorrichtung fixiert („Rigging“). Die Rakete wird üblicherweise beim Starten ein erstes Stück, beispielsweise einige wenige Meter, über ein Schienensystem geführt, sodass die an den Seilen befestigten Konnektorteile, also Stecker oder Kupplungen, aus ihren Gegenstücken herausgezogen werden. Zusätzlich angebrachte elastische Bänder sogen für ein rasches Wegziehen der herausgezogenen Konnektorteilen von der Rakete, um Beschädigungen zu vermeiden. Der passive Trennvorgang ist Standard in der Anwendung von Höhenforschungsraketen, da der im Vergleich zur aktiven Trennung deutlich geringere technische Mehraufwand der Design- und Anwendungsphilosophie - kostengünstig in kurzer Zeit Zugang zu Mikrogravitation zu schaffen - entspricht.
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Ebenfalls dieser Philosophie zugerechnet wird die Wahl der Anschlüsse (elektrische Buchsen, Durchführungen, pneumatische Kupplungen, etc.). Dabei soll der Möglichkeit, konventionelle, einfach zu beschaffende Komponenten zu selektieren, Vorrang gewährt werden. Auch ungeachtet dieser Empfehlung ist es teilweise nicht möglich, Komponenten zu verwenden, die den thermischen Bedingungen standhalten. Sowohl in der Aufstiegsphase als auch beim Wiedereintritt der Rakete in die Erdatmosphäre entstehen sehr hohe Temperaturen auf ihrer Außenhülle. Dabei bedeutet „Wiedereintritt“ hier nicht zwingend, dass die Rakete die Erdatmosphäre komplett verlassen hat. Die Erdatmosphäre gliedert sich der Höhe über der Erde nach in die untere, mittlere Atmosphäre und die obere Atmosphäre auf, wobei die Dichte mit der Höhe immer weiter abnimmt. Der Übergang zwischen oberer Atmosphäre und Weltraum ist kontinuierlich, man kann keine scharfe Obergrenze der Atmosphäre ziehen. In der Exosphäre oberhalb der Exobase in -600 km Höhe ist die mittlere freie Weglänge bereits so groß, dass Teilchen entweichen können, wenn sie die Fluchtgeschwindigkeit erreichen können. Damit ist der Begriff „Wiedereintritt“ so zu verstehen, dass die Rakete wieder in dichtere Atmosphärenschichten eintritt, wodurch die Reibung und damit die Temperatur an ihrer Außenhülle erheblich zunimmt. Gerade beim Wiedereintritt können zudem auch in Abhängigkeit der Orientierung der Rakete nicht vorhersehbare Temperaturspitzen an der Nutzlast entstehen: Zwar ist es im Stand der Technik bekannt, die Nutzlast beim Wiedereintritt durch Kaltgasdüsen permanent zu drehen, um den Wärmeeintrag über der Gesamtstruktur möglichst gleichmäßig zu verteilen, allerdings gelingt dies nur in einem bestimmten Rahmen. Der hohe Wärmeeintrag führt zur völligen Zerstörung kunststoffhaltiger Komponenten, wobei elektrische Buchsen fast immer kunststoffhaltige Komponenten enthalten. Zwar sind auch Keramikisolierungen bekannt, die jedoch im Hinblick auf mechanischen Belastungen während des Fluges selten geeignet sind. Man nimmt diese Zerstörung auf Grund der schnellen Realisierung und des überschaubaren Refurbishment-Aufwands hin. Anders stellt sich die Situation dar, wenn die Anforderungen der Nutzlast eine atmosphärische Druckdichtigkeit verlangen, d. h. wenn die im Rumpf eingeschlossene Luft während des Fluges mitgenommen werden muss. Ein Abbrand eines Anschlusses stellt damit eine Leckage da. Nach dem aktuellen Stand der Technik werden, um dieser Leckage entgegenzuwirken, schwer entflammbare Gießharze zur Abdichtung benutzt, die beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre abrasiv herunterbrennen, jedoch nicht soweit, dass ein Durchbruch entsteht, bzw. nur soweit, dass die mechanische Integrität gewährleistet bleibt.
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Ein solches Refurbishment umfasst in diesem Fall einen gewissen Mehraufwand. Darüber hinaus ist die Berechnung des abrasiven Abbrands auf Grund fehlender Vorhersage des Wärmeeintrags kaum möglich. Bei der Auslegung von passiven Umbilicals in Druck beaufschlagten Raketenrumpfsektionen ist nach dem heutigen Stand der Technik keine wartungs- bzw. reparaturfreie Wiederverwendbarkeit gegeben. Auf Grund nicht genau vorhersehbarer, aber auch sehr hoher Wärmeeinträgen während der Aufstiegsphase und dem Wiedereintritt nimmt man bewusst einen abrasiven Materialverlust der Dichtflächen in Kauf und rechtfertigt die mechanische Integrität durch Überdimensionierung der dichtenden Materialien. Gemäß der Konstruktionsphilosophie bei Höhenforschungsraketen werden passive Trennverfahren bevorzugt, sodass ein aktives Verschließen des Umbilicals mit einem Hitzeschild durch einen Umbilicalarm nicht mehr möglich ist.
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Zum besseren Verständnis sei an dieser Stelle auf einen wesentlichen Unterschied zwischen der bemannten Raumfahrt und unbemannten Raketen insbesondere unbemannten Höhenforschungsraketen eingegangen: Die Beschleunigungen in bemannten oder sehr schweren Raketen sind um eine ganze Größenordnung geringer als bei unbemannten Höhenforschungsraketen. Damit reduziert sich auch das Geschwindigkeitsprofil innerhalb der Atmosphäre, die maßgeblich durch ihre verursachte Reibung für den Wärmeeintrag in die Struktur verantwortlich ist. Interessanter sind aber noch die Umstände des Wiedereintritts in die Erdatmosphäre aus einem Orbit. Die erreichten Temperaturen übersteigen die der Höhenforschungsraketen. Man wird beim Vergleich mit beispielsweise den Umbilicals eines Spaceshuttles feststellen, dass die thermisch kritischen Flugmanöver in unterschiedlichen Flugphasen auftreten und damit ein Kopieren dieser Technik nicht zielführend wäre. Zum Verständnis soll das Beispiel der Spaceshuttles-Umbilicals konkretisiert werden: Die Spaceshuttels hatten ihre Umbilicals zum Teil unter einer mit Hitzeschutzkacheln bestückten Klappe am unteren Rumpf. Beim Start war diese Klappe geöffnet und musste bis zum Abtrennen des Treibstofftanks (zu einem Zeitpunkt, in der keine umgebende Atmosphäre mehr vorhanden war) geöffnet bleiben, da die mechanischen Verbinder (Struts) zum Tank ebenfalls unter der Klappe befestigt waren. Dies stellte auf Grund der geringen thermischen Belastung beim Start keine Probleme dar. Erst beim Wiedereintritt mussten die Klappen geschlossen werden. Denkt man sich nun eine äquivalente Lösung für Umbilicals an Höhenforschungsraketen, so müsste diese Klappe während der Aufstiegsphase geschlossen werden. Durch die hohe Beschleunigung, d. h. der schnellen Geschwindigkeitszunahme, wären die aerodynamischen Lasten andernfalls sehr hoch. Ebenfalls würde eine solche Lösung einen nicht zulässigen Eingriff in die zuvor gerechnete Strömung um das Vehikel darstellen.
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Der hier vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, dem Stand der Technik eine Verbesserung oder eine Alternative zur Seite zu stellen.
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Nach einem ersten Aspekt löst die gestellte Aufgabe ein Umbilical für ein Fahrzeug für zumindest temporäre Bewegung im Überschall- oder Hyperschallbereich zur Durchführung eines passiven Trennvorgangs von mindestens einem Verbindungselement zum Material- und/oder Energie- und/oder Informationsaustausch der unbemannten Höhenforschungsrakete mit einem Ground Support Equipment bei einem Start des Fahrzeugs, aufweisend einen äußeren Grundkörper und einen mit ihm druckdicht verbindbaren inneren Grundkörper sowie mindestens einem in einem Winkel von mehr als 0° und weniger als 90°, bevorzugt zwischen 40° und 50°, zu einer Längsachse des Fahrzeugs entgegen der Startrichtung angeordneten Teil des mindestens einen Verbindungselements, wobei das Umbilical eine bewegliche Baugruppe aufweist, mit der nach dem Trennvorgang des mindestens einen Verbindungselements das mindestens eine Teil des mindestens einen Verbindungselements verschließbar ist.
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Begrifflich sei hierzu folgendes erläutert:
- Es sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass im Rahmen der hier vorliegenden Patentanmeldung unbestimmte Artikel und unbestimmte Zahlenangaben wie „ein...“, „zwei...“ usw. im Regelfall als mindestens-Angaben zu verstehen sein sollen, also als „mindestens ein...“, „mindestens zwei...“ usw., sofern sich nicht etwa aus dem Kontext oder dem konkreten Text einer bestimmten Stelle ergibt, dass etwa dort nur „genau ein...“, „genau zwei...“ usw. gemeint sein soll. Weiterhin sind alle Zahlenangaben sowie Angaben zu Verfahrensparametern und/oder Vorrichtungsparametern im technischen Sinne zu verstehen, d. h. als mit den üblichen Toleranzen versehen zu verstehen. Auch aus der expliziten Angabe der Einschränkung „wenigstens“ oder „mindestens“ o.ä. darf nicht geschlossen werden, dass bei der einfachen Verwendung von „ein“, also ohne die Angabe von „wenigstens“ o.ä., ein „genau ein“ gemeint ist.
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Unter einem „Umbilical“ ist eine Schnittstelle einer Versorgungsleitung vom Ground Support Equipment GSE zu verstehen, wobei solche Versorgungsleitungen ein Fahrzeug, insbesondere eine Höhenforschungsrakete, bis zum Start mit beispielsweise Energie versorgen, dem Informations- und/oder dem Material und/oder dem Medienaustausch dienen.
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Eine Höhenforschungsrakete ist eine unbemannte Rakete, mit deren Hilfe physikalische Messungen in der Atmosphäre bis zur Grenze der Atmosphäre zum interplanetaren Raum durchgeführt werden. Dies sind meist meteorologische Messungen, wie solche des Luftdrucks, der Temperatur oder der Windgeschwindigkeit, aber auch andere Messungen, wie die Untersuchung der elektrischen Eigenschaften der Ionosphäre. Daneben werden mit Hilfe von Höhenforschungsraketen auch astronomische Beobachtungen oder materialwissenschaftliche Untersuchungen durchgeführt. Eine Höhenforschungsrakete kann beispielsweise ein ballistischer Flugkörper oder eine aktiv gesteuerte Rakete sein, der aus mindestens einem Feststoffmotor und einem aufgesetzten Nutzlastbehälter besteht. Als Nutzlast werden Messinstrumente und wissenschaftliche Experimente sowie Servicesysteme in Höhen zwischen 45 km und über 1.200 km befördert.
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Beim passiven Trennvorgang werden beim Start der Rakete die Versorgungsleitungen von der Rakete passiv, d. h. durch das Abheben der Rakete selbst, getrennt. Üblicherweise werden beim passiven Trennvorgang jeder Konnektor und dessen Gegenstück in einem 45° Winkel zur Flugachse angeordnet und mit Seilen an der Startvorrichtung fixiert. Die Rakete wird beim Starten die ersten Meter über ein Schienensystem geführt, sodass die an den Seilen befestigten Konnektoren bei entsprechender Gestaltung aus ihren Gegenstücken herausgezogen werden können. Der passive Trennvorgang ist Standard beim Start von Höhenforschungsraketen, da er sich mit geringerem Aufwand als bei einer aktiven Trennung realisieren lässt.
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Ein Verbindungselement zum Material- und/oder Energie- und/oder Informationsaustausch soll in diesem Dokument ein mindestens zweiteiliges System zur Verbindung und Trennung eines Schlauchs oder eines Kabels bezeichnen. Durch das Verbindungselement können Signale, Energie, beispielsweise elektrische Energie, Medien oder Strahlung, beispielsweise optische Strahlung, ausgetauscht werden. Die Teile eines Verbindungselements werden üblicherweise als Stecker bzw. Kupplung ausgeführt.
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Ein Konnektor bezeichnet in diesem Zusammenhang ein Teil eines Verbindungselements.
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Das Ground Support Equipment (GSE) bezeichnet alle außerhalb der Rakete befindlichen Aggregate, Schaltvorrichtungen und weitere Ausrüstungen, die die individuellen Bedarfe zur Erfüllung der Funktionsfähigkeit der Rakete bedienen. Das GSE ist in unmittelbarer Nähe zur Rakete an deren Startvorrichtung aufgestellt und mit Schläuchen und Kabeln mit den Schnittstellen an der Rakete bis zu deren Start verbunden.
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Wenn in diesem Dokument von druckdicht oder verschließbar gesprochen wird, so ist damit keine absolute Druckdichtigkeit oder Verschließbarkeit gemeint, vielmehr sind die Begriffe im technischen Sinne, also mit den für den jeweiligen Anwendungsfall üblichen, dem Fachmann bekannten Toleranzen behaftet. Das gleiche gilt für alle Winkel- und sonstigen Zahlenangaben.
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Die Angabe eines Winkels zu einer Längsachse der Höhenforschungsrakete entgegen der Startrichtung bedeutet, dass die bezeichnete Richtung in spitzem Winkel entgegen der Startrichtung, also nach unten, von der Rakete weg weist.
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Unter Umständen kann mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Umbilicals erreicht werden, dass thermisch empfindliche Verbindungselementteile vor der thermischen Einwirkung insbesondere beim Wiedereintritt einer Höhenforschungsrakete in dichtere Atmosphärenschichten besser geschützt werden. Hierdurch kann der Wartungs- bzw. Reparaturaufwand für eine Wiederverwendung dieser Verbindungselementteile verkleinert werden. Da der mögliche Abbrand der Verbindungselementteile verringert werden kann, können diese Teile unter Umständen auch kleiner dimensioniert werden, was zu einer Kosten- und insbesondere auch einer Platzersparnis führen kann.
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Beim Start des Fahrzeugs werden die an Seilen befestigten Kabel festgehalten und das Fahrzeug zieht sich aus ihrer Steckverbindung heraus. Die bewegliche Baugruppe kann nun alle ausgefrästen Durchbrüche des äußeren Grundkörpers verdecken und so vor den beim Wiedereintritt des Fahrzeugs in dichtere Atmosphärenschichten vermehrt entstehenden heißen Gasen schützen.
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In einer Ausführungsform des ersten Aspekts der Erfindung weist der äußere Grundkörper eine taschenförmige Ausnehmung zur Aufnahme des mindestens einen Teils des mindestens einen Verbindungselements auf. Das Teil des Verbindungselements kann ein Stecker oder eine Kupplung sein. Ob ein als Kupplung ausgeführtes Teil in die Rakete und ein als Stecker ausgeführtes Teil eines Verbindungselements an dem Kabel oder Schlauch angeordnet wird oder umgekehrt, wird der Fachmann nach Praktikabilitäts- und Sicherheitsaspekten treffen. So ist es beispielsweise üblich, spannungsführende Kontakte mit einem Steckerzu konfektionieren, d. h. also bei einem Kabel zur Versorgung des Fahrzeugs mit elektrischer Energie das vom GSE kommende Kabel mit einem Stecker auszustatten, während das entsprechende fahrzeugseitige Verbindungsteil als Buchse ausgeführt wird. In der taschenförmigen Ausnehmung, die beispielsweise als Ausfräsung ausgeführt werden kann, kann ein Verbindungselementteil geschützt aufgenommen werden. Darüber hinaus kann das entsprechende Verbindungselementteil mit üblichen Mitteln wie beispielsweise Dichtungen, beispielsweise Flachdichtungen oder O-Ringen, und üblichen Fixiermöglichkeiten, wie beispielsweise Kontermuttern oder Rasthaken, druckdicht befestigt werden.
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Es ist denkbar, dass die taschenförmige Ausnehmung in einem Winkel zwischen 0° und 90°, bevorzugt zwischen 40° und 50°, zu einer Längsachse des Fahrzeugs entgegen der Startrichtung angeordnet ist. Die Ausnehmung kann beispielsweise durch Fräsen hergestellt werden. Wird die Ausnehmung in einem Winkel zwischen 0° und 90°, bevorzugt zwischen 40° und 50°, zu einer Längsachse des Fahrzeugs entgegen der Startrichtung angeordnet, kann sie eine Funktionsfläche als Bodenfläche der Ausnehmung aufweisen, die im gleichen Winkel angeordnet ist. Auf dieser Funktionsfläche kann das Verbindungselementteil befestigt werden, so dass die Verbindung bei der passiven Trennung leicht trennbar ist. Die Wandung der Tasche kann mit einem dauerelastischen Dichtmittel, beispielsweise einem dauerelastischen pastösen Dichtmittel wie z.B. Silikon, ausgekleidet und mit einem Harz, beispielsweise einem transparenten Epoxidharz ausgegossen werden, sodass Anschlussleitungen komplett eingebettet sein können. Das Harz kann bei dabei dem formschlüssigen Halt des entsprechenden Verbindungselementteils in entsprechender Druck-Belastungsrichtung dienen. Das dauerelastische Dichtmittel kann bei entsprechender Ausführung die unterschiedliche Ausdehnung auf Grund unterschiedlichen thermischer Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Harz und dem Werkstoff des inneren Grundkörpers, beispielsweise einem Metall wie beispielsweise einer Aluminiumlegierung, kompensieren und damit ein Ablösen der Grenzflächen minimieren. Wird ein transparentes Harz verwendet, ist eine optische Inspektion auf Risse oder Ablösungen im Inneren des Materials möglich.
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In einer weiteren Ausführungsform des ersten Aspekts der Erfindung weist die bewegliche Baugruppe eine an einer Führungsvorrichtung geführte, in Längsrichtung des Fahrzeugs bewegliche und von einem Kraftspeicher mit einer Kraft in Längsrichtung des Fahrzeugs wirkenden Kraft beaufschlagte Grundplatte auf. Durch die lineare Beweglichkeit in Längsrichtung des Fahrzeugs kann sich die Grundplatte nach dem passiven Trennen des mindestens einen Verbindungselements über die mindestens eine taschenförmige Ausnehmung in dem äußeren Grundkörper schieben. Zur Ausführung dieser Bewegung kann der Kraftspeicher, beispielsweise eine Schraubenfeder, dienen, wobei die Führungsvorrichtung ein Verkanten der Grundplatte bei der Bewegung und dadurch ein Blockieren verhindern kann. Die Führungsvorrichtung kann als Führungslasche und/oder andere Linearführung, beispielsweise in Form von einer Lagerbuchse, die mit einer Linearwelle wirkverbunden ist, ausgeführt sein. Der Fachmann kann hier auf im Stand der Technik bekannte Ausführungsformen zurückgreifen.
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Die Grundplatte kann einen temperaturfesten Werkstoff, beispielsweise Stahl, aufweisen.
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Unter einem temperaturfesten Werkstoff wird in diesem Dokument ein Werkstoff verstanden, der seine mechanischen Eigenschaften bei einer Einsatztemperatur von 600 °C garantieren kann wie beispielsweise die Edelstahllegierung EN 1.4301.
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In einer weiteren Ausführungsform des ersten Aspekts der Erfindung weist die bewegliche Baugruppe weiterhin eine Arretiervorrichtung auf. Die Arretiervorrichtung kann einen in einer abgesenkten Durchgangsbohrung geführten Zapfen aufweisen, der die Arretierung beweglichen Grundplatte gewährleisten kann, wenn sie sich in der geschlossenen Position befindet. Der Zapfen kann durch eine Feder gespannt und mit einem Blindflansch von innen verschraubt sein. Die Feder kann dabei als Druckfeder ausgeführt sein, die beispielsweise durch die Führungslasche im geöffneten Zustand der Grundplatte der beweglichen Baugruppe auf Spannung gehalten werden kann.
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In einer weiteren Ausführungsform des ersten Aspekts der Erfindung weist die bewegliche Baugruppe weiterhin eine Lagerbuchse mit Gleitlager auf.
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Weiterhin kann die bewegliche Baugruppe mittels der Lagerbuchse mit Gleitlager an einer Linearführung entlang beweglich sein.
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In einer weiteren Ausführungsform des ersten Aspekts der Erfindung ist die bewegliche Baugruppe mittels der Linearführung an dem äußeren Grundkörper befestigbar.
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Der äußere Grundkörper kann von innen in den Ausbruch des Rumpfes des Fahrzeugs gesetzt werden. Der äußere Grundkörper kann dabei mit Hilfe einer Dichtung zum Rumpf des Fahrzeugs abgedichtet sein. Der äußere Grundkörper kann von außen, beispielsweise mit durch den Rumpf durchtauchende Befestigungsmittel, beispielsweise Schrauben, in die Dichtung gezogen werden, so dass diese einen möglichen Spalt zwischen äußerem Grundkörper und Innenseite des Fahrzeugrumpfs druckdicht verschließt. Auf der Innenseite des äußeren Grundkörpers kann sich eine weitere Dichtung befinden, die zur Abdichtung eines aufgesetzten inneren Grundkörpers dienen kann. Dieser innere Grundkörper kann mit weiteren Befestigungsmitteln, beispielsweise Schrauben, mit dem äußeren Grundkörper lösbar und druckdicht verbunden sein. Am äußeren Grundkörper kann mit weiteren Befestigungsmitteln mindestens eine Befestigungsvorrichtung einer Linearführung der beweglichen Baugruppe befestigt sein. Die bewegliche Baugruppe kann eine hitzebeständige Grundplatte, beispielsweise eine geeignete Stahllegierung aufweisend, mindestens eine Lagerbuchse mit einem Lager, beispielsweise einem Wälzlager oder einem Gleitlager, mindestens einen Kraftspeicher, beispielsweise eine Druckfeder, mindestens eine Führungslasche, mindestens eine Linearführung, beispielsweise eine Linearwelle, und eine Arretiervorrichtung, beispielsweise einen Arretierzapfen, aufweisen. Der innere Grundkörper kann mindestens eine unter einem Winkel von mehr als 0° und weniger als 90°, bevorzugt zwischen 40° und 50°, insbesondere in einem Winkel von 45°, gemessen zu einer Längsachse des Fahrzeugs entgegen der Startrichtung, angeordnete Ausnehmung zur Aufnahme mindestens eines Konnektors aufweisen. Der innere Grundkörper kann an dem äußeren Grundkörper befestigt und mindestens einen Konnektor lagern. Die Ausnehmung kann mit einem dauerelastischen Dichtmittel, beispielsweise einem dauerelastischen pastösen Dichtmittel wie beispielsweise Silikon, ausgekleidet und mit einem Harz, beispielsweise einem transparenten Epoxidharz ausgegossen werden, sodass Anschlussleitungen komplett eingebettet sein können. Das Harz kann bei dabei dem formschlüssigen Halt des entsprechenden Verbindungselementteils in entsprechender Druck-Belastungsrichtung dienen. Das dauerelastische Dichtmittel kann bei entsprechender Ausführung die unterschiedliche Ausdehnung auf Grund unterschiedlichen thermischer Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Harz und dem Werkstoff des äußeren Grundkörpers, beispielsweise einem Metall wie beispielsweise einer Aluminiumlegierung, kompensieren und damit ein Ablösen der Grenzflächen minimieren. Wird ein transparentes Harz verwendet, ist eine optische Inspektion auf Risse oder Ablösungen im Inneren des Materials möglich. Eine abgesenkte Durchgangsbohrung kann einen Zapfen führen, der der Arretierung Grundplatte der beweglichen Baugruppe dient. Der Zapfen wird durch einen Kraftspeicher, beispielsweise eine Feder gespannt und mit einem Blindflansch von innen befestigt, beispielsweise verschraubt sein. Zusammenfassend wird die Druckdichtigkeit durch eine klassische axiale Dichtung zwischen Rumpf und äußerem Körper, einer axialen Dichtung zwischen äußerem und innerem Körper, einem Blindflansch, einer Dichtung an dem Konnektor und der ausgegossenen Ausnehmung erreicht.
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Im inneren Grundkörper kann mit weiteren Befestigungsmitteln mindestens eine Befestigungsvorrichtung einer Linearführung der beweglichen Baugruppe befestigt sein. Die bewegliche Baugruppe kann eine hitzebeständige Grundplatte, beispielsweise eine geeignete Stahllegierung aufweisend, mindestens eine Lagerbuchse mit Gleitlager, mindestens einen Kraftspeicher, beispielsweise eine Druckfeder, mindestens eine Führungslasche, mindestens eine Linearführung, beispielsweise eine Linearwelle, und eine Arretiervorrichtung, beispielsweise einen Arretierzapfen, aufweisen.
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Das Lager ist mit einer Lagerbuchse verbunden. Beispielsweise kann das Lager in die Lagerbuchse eingepresst sein. Das Lager kann über die Linearführung axial geführt werden. Ein Kraftspeicher, beispielsweise eine Druckfeder, kann dabei eine Kraft in Richtung eines geschlossenen Zustands der Grundplatte der beweglichen Baugruppe ausüben. Der geschlossene Zustand bezeichnet dabei den Zustand, in dem die Grundplatte der beweglichen Baugruppe die mindestens eine Ausnehmung in dem äußeren Grundkörper verdeckt. Der Kraftspeicher der Arretiervorrichtung kann durch die Führungslasche auf Spannung gehalten werden, wenn sich die Grundplatte der beweglichen Baugruppe im geöffneten Zustand befindet, d. h. in einer Position, wo sie die mindestens eine Ausnehmung in dem äußeren Grundkörper nicht verdeckt und so den Zugang zu einem in der Ausnehmung gelagerten Konnektor freigibt. In geschlossener Position der Grundplatte der beweglichen Baugruppe kann der Kraftspeicher den Zapfen in eine Öffnungsbohrung der Grundplatte der beweglichen Baugruppe drücken, wodurch dieses nicht mehr geöffnet werden kann.
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Zum Verbinden des Umbilicals kann zunächst der Arretierzapfen eingedrückt werden, die Grundplatte der beweglichen Baugruppe gegen den Druck des Kraftspeichers verschoben, ein Konnektor mit seinem Gegenpart in einer Ausnehmung des äußeren Grundkörpers verbunden. Weiter kann eine Rückschlaghülse eingeführt werden, die den Konnektor umgeben kann und die Grundplatte der beweglichen Baugruppe in der geöffneten Position gegen den Druck des Kraftspeichers halten kann. Damit kann das Kabel oder der Schlauch des Konnektors geschützt und ein vollständiges Rausziehen sichergestellt werden. Somit ist das Umbilical verbunden.
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Beim Start des Fahrzeugs werden die an Seilen befestigte Kabel und/oder Schläuche festgehalten und das Fahrzeug zieht sich selbst aus seiner mindestens einer Verbindung heraus. Der Kraftspeicher und die Trägheitskraft wirken auf die beweglichen Baugruppe in Richtung Schließposition. In der Schließposition verdeckt die Grundplatte der beweglichen Baugruppe alle Ausnehmungen in dem äußeren Grundkörper. Die Arretiervorrichtung bewegt sich kraftspeichergetrieben in eine Ausnehmung der Grundplatte der beweglichen Baugruppe, wenn sich diese in der Schließposition befindet und verhindert so zusätzlich ein nachträgliches Öffnen der Grundplatte der beweglichen Baugruppe bei einem möglichen Taumeln während des Fluges, insbesondere während des Wiedereintritts des Fahrzeugs in dichtere Schichten der Atmosphäre. Die Spalte zwischen äußerem Grundkörper und der Grundplatte der beweglichen Vorrichtung können so gering ausgeführt sein, dass die dadurch eintretende Menge an Heißgas keinen Einfluss auf die dahinter befindlichen Konnektoren ausübt.
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Nach einem zweiten Aspekt der Erfindung löst die gestellte Aufgabe eine Rakete, insbesondere eine Höhenforschungsrakete, aufweisend das Umbilical gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung.
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Es versteht sich, dass die beschriebenen Ausführungsformen einzeln oder auch in jedweder Kombination von der Erfindung umfasst sind.
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Die Erfindung sei nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Dort zeigen
- 1 eine Explosionsdarstellung eines erfindungsgemäßen Umbilicals
- 2 eine Vorderansicht eines erfindungsgemäßen Umbilicals
- 3 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Umbilicals
- 4 eine Rückansicht eines erfindungsgemäßen Umbilicals
- 5 eine Schnittansicht A-A aus 2
- 6 eine Schnittansicht B-B aus 2
- 7 Eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Umbilicals mit der Grundplatte der beweglichen Baugruppe in geschlossener Position
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1 zeigt eine Explosionsdarstellung eines erfindungsgemäßen Umbilicals 100. Der äußere Grundkörper 1 kann von innen in den Ausbruch des Rumpfes des Fahrzeugs (nicht gezeigt) eingesetzt werden. Der äußere Grundkörper 1 kann dabei mit Hilfe einer Dichtung (nicht gezeigt) zum Rumpf des Fahrzeugs abgedichtet sein. Der äußere Grundkörper 1 kann von außen, beispielsweise mit durch den Rumpf durchtauchende Befestigungsmittel, beispielsweise Schrauben, in die Dichtung gezogen werden, so dass diese einen möglichen Spalt zwischen äußerem Grundkörper und Innenseite des Fahrzeugrumpfs druckdicht verschließt. Auf der Innenseite des äußeren Grundkörpers 1 befindet sich eine Dichtungsnut 5, in der sich eine weitere Dichtung befinden kann, die zur Abdichtung eines aufgesetzten inneren Grundkörpers 2 dienen kann. Dieser innere Grundkörper 2 kann mit weiteren Befestigungsmitteln (nicht gezeigt) mit dem äußeren Grundkörper 1 lösbar und druckdicht verbunden sein. Dazu weist der innere Grundkörper 2 Durchgangsbohrungen 17 und der äußere Grundkörper 1 entsprechende Gewindebohrungen 18 auf. Im inneren Grundkörper 2 sind zwei Linearwellen 16 als Linearführung einer beweglichen Baugruppe 3 befestigt. Dabei sind die Linearwellen 16 über Wellenböcke 19, die in Gewindebohrungen 6 im äußeren Grundkörper 1 verschraubbar sind, befestigt. Die bewegliche Baugruppe 3 weist eine hitzebeständige Grundplatte 7 aus einer geeigneten Stahllegierung auf. Weiterhin weist die bewegliche Baugruppe 3 zwei Lagerbuchse 8 mit jeweils einem Gleitlager auf, wodurch die bewegliche Baugruppe 3 linear entlang der Linearwellen 16 bewegbar ist. Weiterhin ist zwischen jeweils einem Wellenbock 19 und einer Lagerbuchse 8 ein Kraftspeicher 9, beispielsweise in Form einer Druckfeder, angeordnet. Eine Führungslasche 10 ist auf die Grundplatte 7 der beweglichen Baugruppe 3 aufgeschraubt. Ein Arretierzapfen 11 ragt durch den inneren Grundkörper 2 in das Innere des äußeren Grundkörpers 1. Der innere Grundkörper 2 weist drei in einem Winkel von 45°, gemessen zu einer Längsachse des Fahrzeugs entgegen der Startrichtung x, angeordnete Ausnehmungen 4 zur Aufnahme mindestens eines Konnektors 12, 13 auf. In einer der Ausnehmungen 4 ist in dem in der Figur gezeigten Ausführungsbeispiel eine RJ45 Buchse 13, in den beiden anderen Ausnehmungen 4 jeweils ein XT-60 Stecker 12 als Konnektoren angeordnet. Selbstverständlich können auch andere Konnektoren, insbesondere auch solche zur Verbindung von Medienschläuchen oder von beispielsweise optischen Signalkabeln vorgesehen sein.
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2 zeigt eine Vorderansicht eines erfindungsgemäßen Umbilicals 100. Der Blick richtet sich auf die äußere Fläche des inneren Grundkörpers 3 mit den Durchgangsbohrungen 17. Die Grundplatte 7 der beweglichen Baugruppe 3 (in der Darstellung nicht sichtbar) befindet sich in geöffneter Stellung, wodurch die in den Ausnehmungen 4 gelagerten Konnektoren 12, 13 von außen sichtbar und verbindbar sind. Weiterhin ist in der Darstellung der Arretierzapfen 11 sichtbar.
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3 zeigt eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Umbilicals 100. Der innere Grundkörper 2 weist drei in einem Winkel α von 45°, gemessen zu einer Längsachse des Fahrzeugs entgegen der Startrichtung x, angeordnete Konnektoren 12, 13 auf.
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4 zeigt eine Rückansicht eines erfindungsgemäßen Umbilicals 100, d. h. eine Ansicht auf die in eine Rakete eingebauten Zustand nach außen zeigende Fläche des äußeren Grundkörpers 1.
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5 zeigt eine Schnittansicht A-A des erfindungsgemäßen Umbilicals 100 aus 2. In dieser Ansicht ist die Rückschlaghülse 15, die die RJ45 Buchse 13 umgibt, zu erkennen. Diese Rückschlaghülse 15 hält die Grundplatte 7 der beweglichen Baugruppe 3 in der geöffneten Position gegen den Druck des Kraftspeichers 9. Damit kann das Kabel oder der Schlauch des Konnektors geschützt und ein vollständiges Rausziehen des Konnektors 20, 21 beim Start sichergestellt werden. Weiterhin ist in dieser Ansicht der Arretierzapfen 11 zu erkennen, der mit einem Ende auf der sich in geöffneter Position befindlichen Grundplatte 7 der beweglichen Baugruppe 3 aufliegt und an seinem anderen Ende über einen mit dem inneren Grundkörper 1 verschraubten Blindflansch 14 gehaltert wird.
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Beim Start der Rakete werden die an Seilen befestigte Kabel und/oder Schläuche festgehalten und die Rakete zieht sich selbst aus seiner mindestens einen Verbindung heraus. Der Kraftspeicher 9 und eine beim Start entstehende Trägheitskraft wirken auf die beweglichen Baugruppe 3 in Richtung der Schließposition.
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6 zeigt eine Schnittansicht B-B des erfindungsgemäßen Umbilicals 100 aus 2. In diesem Schnitt sind die Ausnehmungen 4 zu erkennen, die in einem Winkel α von 45° in dem äußeren Grundkörper 1 angeordnet sind.
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7 zeigt eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Umbilicals 100 mit der Grundplatte 7 der beweglichen Baugruppe 3 in geschlossener Position, wobei die Schließrichtung durch den ersten Pfeil P1 angedeutet ist. Der geschlossene Zustand bezeichnet dabei den Zustand, in dem die Grundplatte 7 der beweglichen Baugruppe 3 die drei Ausnehmungen 4 in dem äußeren Grundkörper 1 verdeckt. Der Kraftspeicher des Arretierzapfens 11 wird durch die Führungslasche 10 auf Spannung gehalten, wenn sich die Grundplatte 7 der beweglichen Baugruppe 3 im geöffneten Zustand befindet, d. h. in einer Position, wo sie die drei Ausnehmungen in dem äußeren Grundkörper 1 nicht verdeckt und so den Zugang zu den in den Ausnehmungen 4 gelagerten Konnektoren 12, 13 freigibt. In geschlossener Position der Grundplatte 7 der beweglichen Baugruppe 3 drückt der Kraftspeicher den Arretierzapfen 11 in seiner Schließrichtung, angedeutet mit dem Pfeil P2, in eine Öffnungsbohrung 22 der Grundplatte 7 der beweglichen Baugruppe 3, wodurch dieses nicht mehr geöffnet werden kann.
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Die hier gezeigten Ausführungsformen stellen nur Beispiele für die vorliegende Erfindung dar und dürfen daher nicht einschränkend verstanden werden. Alternative durch den Fachmann in Erwägung gezogene Ausführungsformen sind gleichermaßen vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung umfasst.
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Liste der verwendeten Bezugszeichen
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- 1
- Äußerer Grundkörper
- 2
- Innerer Grundkörper
- 3
- Bewegliche Baugruppe
- 4
- Schräge Ausnehmung
- 5
- Dichtungsnut
- 6
- Gewindebohrung zur Aufnahme von Wellenblöcken
- 7
- Grundplatte der beweglichen Baugruppe
- 8
- Lagerbuchse
- 9
- Kraftspeicher
- 10
- Führungslasche
- 11
- Arretiervorrichtung, Arretierzapfen
- 12
- XT-60 Buchse
- 13
- RJ45 Buchse
- 14
- Blindflansch
- 15
- Rückschlaghülse
- 16
- Linearführung, Linearwelle
- 17
- Durchgangsbohrung
- 18
- Gewindebohrung
- 19
- Wellenbock
- 20
- Einzusteckender RJ45 Stecker
- 21
- Einzusteckender XT-60 Stecker
- 22
- Öffnungsbohrung
- 100
- Umbilical
- X
- Startrichtung des Fahrzeugs
- α
- Winkel
- P1
- erster Pfeil, Schließrichtung der Grundplatte 7 der beweglichen Baugruppe 3
- P2
- zweiter Pfeil, Schließrichtung des Arretierzapfens
