DE102022209201A1

DE102022209201A1 - Ventileinrichtung zur Einmalöffnung und Flugkörper

Info

Publication number: DE102022209201A1
Application number: DE102022209201.5A
Authority: DE
Inventors: Daniel Rothe
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2022-09-05
Filing date: 2022-09-05
Publication date: 2024-03-07

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ventileinrichtung (1) zur Einmalöffnung, umfassend:- mindestens ein Leitungselement (2) zum Leiten eines Fluidstroms, wobei das Leitungselement eine Öffnung (3) aufweist,- mindestens ein Sperrelement (4) zum Sperren eines Fluidstroms durch die Öffnung (3),- mindestens ein Stützelement (5) zum Stützen einer Last (P) des Sperrelements (4),- mindestens einen Aktor (6) zum irreversiblen Verformen des Stützelements (5), wobei ein mechanisches Zusammenwirken zwischen dem Aktor (6) und dem Stützelement (5) und dem Sperrelement (4) derart ausgebildet ist, dass durch Betätigen des Aktors (6) das Stützelement (5) irreversibel verformt wird, wobei dann die Last (P) ausreicht, um das Sperrelement (4) aus dem Leitungselement (2) zumindest teilweise herauszubewegen und einen Fluidstrom durch die Öffnung (3) freizugeben und einen Flugkörper.

Description

Die Erfindung betrifft eine Ventileinrichtung zur Einmalöffnung und einen Flugkörper.
Ventile werden in der Regel zum Freigeben oder Sperren von Fluidströmen innerhalb technischer Systeme genutzt. Bei Raketenantrieben sind Ventile z.B. notwendig, um einen flüssigen Treibstoff aus einem Tank in Richtung einer Brennkammer freizugeben und die freigegebene Treibstoffmenge kontrollieren zu können. Da das gezielte Freigeben von Treibstoff für die Funktionsweise einer Rakete essentiell ist, kommt den verwendeten Ventilen entsprechend hohe Aufmerksamkeit zu.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen weisen allerdings eine hohe mechanische Komplexität auf, wodurch die Wahrscheinlichkeit für Fehlfunktionen erhöht ist. Die hohe mechanische Komplexität hat ferner zur Folge, dass ein Bauraumbedarf und Gewicht der bekannten Lösungen entsprechend erhöht ist. Ferner ist eine Montage komplexer Ventile zeit- und fehlerintensiv. Zudem sind häufig kostenintensive Tests notwendig, um die gewünschte Zuverlässigkeit gewährleisten zu können. Gleichzeitig wird eine Wiederverwendbarkeit von in Raketenantrieben verwendeten Bauteilen, wie z.B. Ventilen, immer häufiger angestrebt, wobei eine hohe mechanische Komplexität der Wiederverwendbarkeit nicht zuträglich ist.
Daher stellt sich das technische Problem, eine Ventileinrichtung und einen Flugkörper zu schaffen, welche eine verringerte Komplexität bei gleichbleibender oder erhöhter Zuverlässigkeit aufweisen. Vorzugsweise werden durch die Lösung bauraumtechnische, gewichtstechnische, kostentechnische und montagetechnische Aspekte verbessert.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Vorgeschlagen wird daher eine Ventileinrichtung zur Einmalöffnung, umfassend:

- mindestens ein Leitungselement zum Leiten eines Fluidstroms, wobei das Leitungselement eine Öffnung aufweist,
- mindestens ein Sperrelement zum Sperren eines Fluidstroms durch die Öffnung,
- mindestens ein Stützelement zum Stützen einer Last des Sperrelements,
- mindestens einen Aktor zum irreversiblen Verformen des Stützelements,

Die Öffnung weist eine Ebene bzw. eine Öffnungsfläche auf. Die Öffnungsfläche ist vorzugsweise orthogonal zu einer Strömungsrichtung des Fluidstroms orientiert. So kann der Fluidstrom verlustarm durch die Öffnung strömen. Die Strömungsrichtung bezieht sich auf die Richtung, in welcher der Fluidstrom, insbesondere in einem geöffneten Zustand, durch die Ventileinrichtung strömt - also z.B. von einem Punkt des Fluideintritts in die Ventileinrichtung hin zu einem Punkt des Fluidaustritts aus der Ventileinrichtung.
Eine Orientierung der Ventileinrichtung im Raum und der Komponenten der Ventileinrichtung zueinander kann durch ein, insbesondere an die Ventileinrichtung gebundenes, kartesisches Koordinatensystem beschrieben werden. Hierbei kann eine Längsachse des Koordinatensystems parallel zu der Strömungsrichtung des Fluidstroms orientiert sein. Eine Querachse und/oder Hochachse des Koordinatensystems kann parallel zu der Ebene bzw. Öffnungsfläche der Öffnung und orthogonal zur Längsachse orientiert sein. Die Quer- und/oder Hochachse können eine Radialachse der Ventileinrichtung bezeichnen.
Im Folgenden erwähnte Richtungs- oder Ortsangaben wie „stromabwärts‟ bzw. „hinter‟ beziehen sich auf eine Orientierung entlang der Strömungsrichtung des Fluidstroms. Richtungs- oder Ortsangaben wie „stromaufwärts‟ bzw. „vor‟ beziehen sich auf eine Orientierung entgegen der Strömungsrichtung - also z.B. von einem Punkt des Fluidaustritts hin zu einem Punkt des Fluideintritts in die Ventileinrichtung. Im Folgenden erwähnte Richtungs- oder Ortsangaben wie „radial‟ beziehen sich auf eine Orientierung entlang der Quer- und/oder Hochachse.
Das Leitungselement kann z.B. als Rohr ausgebildet sein und zum Transport eines Fluids in Strömungsrichtung dienen. Das Leitungselement kann sich über einen sogenannten Leitungsabschnitt entlang der Längsachse der Ventileinrichtung erstrecken. Vorzugsweise entspricht eine lokale Längsachse des Leitungselements der Längsachse der Ventileinrichtung. Mit anderen Worten: Vorzugsweise ist das Leitungselement gerade ausgebildet. So kann der Fluidstrom verlustarm durch das Leitungselement strömen.
Das Leitungselement kann stromaufwärts z.B. über einen Zulauf fluidtechnisch mit einer Speichereinrichtung zur Speicherung eines Fluids verbunden sein. Der Zulauf entspricht hierbei dem Punkt des Fluideintritts in die Ventileinrichtung. Am anderen Ende des Leitungselements, also stromabwärts, ist die Öffnung angeordnet. Die Öffnung kann hierbei einem Punkt des Fluidaustritts aus der Ventileinrichtung entsprechen. In einem geschlossenen Zustand der Ventileinrichtung, also in einem Sperrzustand, kann das Fluid aufgrund des Sperrelements nicht durch die Öffnung stromabwärts aus dem Leitungselement herausströmen. Der Fluidstrom durch die Öffnung ist also gesperrt. D.h. das Fluid kann über den Zulauf in das Leitungselement einströmen und wird durch das Sperrelement an einem Weiterströmen gehindert. In einem geöffneten Zustand hingegen, also z.B. nach der Einmalöffnung der Ventileinrichtung, fließt der Fluidstrom durch die Öffnung weiter stromabwärts.
Das Sperrelement ist so ausgebildet, dass die Öffnung in einem Sperrzustand der Ventileinrichtung verschlossen ist. Hierzu kann das Sperrelement z.B. eine Querschnittsfläche aufweisen, die zumindest eine Innenquerschnittsfläche des Leitungselements ausfüllt. Insbesondere kann das Sperrelement eine Querschnittsfläche aufweisen, die die Öffnungsfläche ausfüllt. Vorzugsweise ist das Sperrelement in dem Sperrzustand stromaufwärts, also vor der Öffnung, und somit in dem Leitungselement angeordnet. Das Sperrelement kann z.B. als Verschlussstöpsel ausgebildet sein.
Innerhalb der Ventileinrichtung wirkt eine, insbesondere stromabwärts gerichtete, Last auf das Sperrelement. Die Last kann z.B. aus einem Innendruck der Speichereinrichtung resultieren, der dann über das Fluid als Last auf das Sperrelement wirkt. Diese Last wird von dem Stützelement abgestützt. Nach einem irreversiblen Verformen des Stützelements kann die auf das Sperrelement wirkende Last nicht mehr durch das Stützelement gestützt werden. Dies hat zur Folge, dass das Sperrelement dann zumindest teilweise aus der Öffnung herausbewegt wird. Vorzugsweise ist das Herausbewegen eine Linearbewegung. Es ist aber auch denkbar, dass das Herausbewegen einer Rotationsbewegung oder einer Kombination aus Linear- und Rotationsbewegung entspricht.
Das Stützelement kann z.B. aus einer oder mehreren Streben ausgebildet sein. Das Stützelement nimmt die Last des Sperrelements, z.B. über einen Auflagebereich, auf. Über die zuvor erwähnten Streben kann das Stützelement die Last z.B. an einen anderen Teil der Ventileinrichtung abgeben. Vorzugsweise ist das Stützelement derart angeordnet, dass eine Wirkrichtung der zu stützenden Last und eine lokale Längsachse des Stützelements im Wesentlichen übereinstimmen. So kann insbesondere erreicht werden, dass eine Zug- und/oder Biege- und/oder Scherbelastung auf das Stützelement möglichst gering ist und das Stützelement im Wesentlichen auf Druck belastet ist. Dies vereinfacht die Auslegung und Dimensionierung des Stützelements.
Das Stützelement weist im Wesentlichen keine Federwirkung auf. D.h. das Stützelement wird im bestimmungsgemäßen Gebrauch, anders als es z.B. für Feder-Rückstellventil bekannt ist, nicht reversibel elastisch verformt, um ein Sperren oder Freigeben der Öffnung zu erreichen. Vielmehr wird das Stützelement irreversibel verformt, um eine Freigabe des Fluidstroms durch die Öffnung zu initiieren. Insbesondere kann das Stütztelement plastisch verformt werden, wobei das Stützelement eine entsprechende Duktilität aufweist. Durch die irreversible Verformung ergibt sich zudem der technische Effekt, dass die Ventileinrichtung nur einmal geöffnet werden kann. Dies macht ein einmal erfolgtes Öffnen der Ventileinrichtung, z.B. für Dritte, nachvollziehbar und erhöht die Sicherheit bei der Verwendung der Ventileinrichtung.
Es sei erwähnt, dass sich das Stützelement naturgemäß elastisch verformen kann, wobei eine solche elastische Verformung nicht der oben beschriebenen Federwirkung entspricht. Insbesondere ist die elastische Verformung derart gering, dass diese elastische Verformung nicht ausreicht, um den Sperrkörper ausreichend zu bewegen und so den Fluidstrom durch die Öffnung (teilweise) freizugeben.
Das Stützelement kann z.B. aus Thermoplaste, insbesondere aus Polylactide (PLA) oder Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) oder glykolmodifiziertes Polyethylenterephthalat (PETG), hergestellt sein oder aufweisen. Die genannten Materialien sind, insbesondere gegenüber Metall, deutlich günstiger in der Beschaffung. Insbesondere eignen sie sich sehr gut zur Verwendung in additiven Verfahren. Dies wird im Folgenden noch näher erläutert. Auch erwähnenswert ist, dass sich die genannten Materialien, zumindest bei einem gleichen Strukturvolumen, z.B. gegenüber der Verwendung von Metall, vorteilhaft auf das Gewicht der Ventileinrichtung auswirken. Denkbar ist aber auch die Verwendung eines anderen Werkstoffs. Das Leitungs- und/oder Sperrelement ist/sind vorzugsweise aus Metall, z.B. Aluminium, hergestellt. Aber auch andere Materialien sind zur Herstellung der Ventileinrichtung denkbar.
Der Aktor dient zur irreversiblen Verformung des Stützelements, wobei durch die irreversible Verformung eine Stützwirkung des Stützelements derart verringert wird, dass die auf das Sperrelement wirkende Last ausreicht, um das Sperrelement zumindest teilweise aus dem Leitungselement herauszubewegen. Um die Verformung zu erreichen, wird der Aktor betätigt, z.B. durch Zünden einer pyrotechnischen Ladung. Hierzu kann der Aktor ein elektrisches Betätigungssignal empfangen. Durch das Betätigen wirkt dann eine Aktorkraft auf das Stützelement ein. Die irreversible, insbesondere plastische, Verformung kann z.B. einer Stauchung oder Knickung des Stützelements entsprechen.
Vorzugsweise ist der Aktor als pyroaktivierter Aktor ausgebildet. Eine von pyroaktivierten Aktoren bereitgestellte Aktorkraft ist nach Betätigen des Aktors nahezu instantan verfügbar. Dies erhöht die Präzision des Aktors. Ferner hat sich gezeigt, dass pyroaktivierte Aktoren, insbesondere aufgrund ihrer Verwendung in Airbags im Automobilbereich, weit verbreitet sind. Daher sind sie kostengünstig verfügbar und weisen gleichzeitig eine hohe Zuverlässigkeit auf. So kann die zum Verformen des Stützelements notwendige Aktorkraft präzise und zuverlässig aufgebracht werden.
Als Aktor kommen aber auch pneumatisch oder nach einem anderen Wirkprinzip aktivierte Aktoren in Frage.
Für die erfindungsgemäße Ventileinrichtung ergibt sich somit ein kompakter Aufbau aus Leitungselement, Sperrelement, Stützelement und Aktor, sodass eine Komplexität verringert ist. Die erfindungsgemäße Ventileinrichtung ist gleichzeitig derart ausgebildet, dass das Leitungselements bzw. die Öffnung des Leitungselements durch das beschriebene Zusammenwirken des Sperrelements, des Stützelement und des Aktors zuverlässig gesperrt und durch Betätigung des Aktors gezielt für einen Fluidstrom freigegeben werden kann.
Besonders vorteilhaft ist die Verwendung der Ventileinrichtung in einem Flugkörper. Dies wird im Folgenden noch näher erläutert. Die erfindungsgemäße Ventileinrichtung kann allerdings auch in all solchen Anwendungsfällen ihre Vorteile zur Geltung bringen, in welchen Leitungselemente zum Führen eines Fluids durch Einmalöffnung entsperrt werden. Solche Anwendungsfälle ergeben sich z.B. in Notablassventilen oder in Sprinkleranlagen zum Löschen von Feuer.
Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Ventileinrichtung derart ausgebildet, dass ein Fluidstrom bzw. Massestrom durch die Ventileinrichtung einen Wert in einem Bereich von 0,1 kg/s bis 100 kg/s, besonders vorzugsweise von 1 kg/s bis 50 kg/s, aufweist. Dies hat sich als besonders vorteilhaft für die Verwendung in einem Flugkörper, insbesondere in einem Flugkörper mit Raketenantrieb erwiesen.
Vorzugsweise umfasst die Ventileinrichtung ein weiteres Leitungselement zum weiteren Leiten des Fluidstroms. Das weitere Leitungselement kann dieselben oder ähnliche Eigenschaften wie das zuvor beschriebene Leitungselement aufweisen. Insbesondere sind das Leitungselement und das weitere Leitungselement über die Öffnung fluidtechnisch miteinander verbunden, z.B. über eine Muffe oder durch ein Ineinanderschieben. So kann der Fluidstrom stromabwärts der Öffnung weiter durch die Ventileinrichtung begrenzt werden. Das weitere Leitungselement kann sich somit von der Öffnung bis zu einer weiteren Öffnung, z.B. entlang der Längsachse, erstrecken. Dieser Abschnitt kann auch weiterer Leitungsabschnitt bezeichnet werden.
Weiter vorzugsweise ist/sind das Stützelement und/oder der Aktor in dem weiteren Leitungselement bzw. dem weiteren Leitungsabschnitt angeordnet. So ergibt sich ein besonders kompakter Aufbau der Ventileinrichtung entlang der Längsachse. Insbesondere können die Wirkrichtung der Last auf das Sperrelement, die Stützwirkung des Stützelements und die Wirkrichtung der Aktorkraft aufeinander abgestimmt werden und z.B. entlang einer Achse, insbesondere der Längsachse der Ventileinrichtung, orientiert sein.
Besonders vorzugsweise weist das weitere Leitungselement einen Vorsprung auf, auf welchem das Stützelement vor der plastischen Verformung ruht. Hierzu kann das Stützelement einen Fußbereich aufweisen. So kann die auf das Stützelement wirkende Belastung besonders einfach an das weitere Leitungselement abgegeben werden.
Äußerst vorzugsweise ist die Ventileinrichtung zumindest teilweise wiederverwendbar. So können z.B. das Leitungselement, das Sperrelement und der Aktor derart ausgebildet sein, dass lediglich das irreversibel verformte Stützelement ausgetauscht werden muss, um die Ventileinrichtung z.B. bei einem weiteren Start eines Flugkörpers, wiederzuverwenden. Wird ein pyroaktivierter Aktor verwendet, so sollte dieser selbstverständlich - oder zumindest die zur Aktivierung vorgesehene Pyroladung - ebenfalls ausgewechselt werden. Der Aspekt der Wiederverwendbarkeit wird zudem durch den zuvor beschriebenen einfachen und kompakten Aufbau weiter verbessert.
In einer weiteren Ausführungsform weist das Stützelement mindestens einen Soll-Verform-Bereich auf, wobei der Aktor dazu ausgebildet ist, den mindestens einen Soll-Verform-Bereich zu verformen. Das Stützelement ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass der Soll-Verform-Bereich in einem unverformten Zustand, also vor der Betätigung des Aktors, einen Teil der auf das Stützelement wirkenden Last trägt. Nach der irreversiblen Verformung trägt das Stützelement die Last nicht mehr und ein zumindest teilweises Herausbewegen des Sperrkörpers wird freigegeben. Der Soll-Verform-Bereich kann z.B. mindestens eine Kerbe aufweisen, wobei z.B. durch die auf das Stützelement einwirkende Aktorkraft der Soll-Verform-Bereich entlang der Kerbe derartig irreversibel verformt wird, dass der Soll-Verform-Bereich einen Teil der auf das Stützelement wirkenden Last nicht mehr aufnehmen kann. Alternativ oder kumulativ kann der Soll-Verform-Bereich z.B. auch einen Trennkeil aufweisen, der durch die Aktorkraft verschoben wird und hierbei z.B. eine irreversible Verformung in den Soll-Verform-Bereich einbringt, so dass der Soll-Verform-Bereich einen Teil der auf das Stützelement wirkenden Last nicht mehr aufnehmen kann. Insbesondere kann der Soll-Verform-Bereich in Folge der irreversiblen Verformung durchtrennt werden, z.B. an der Kerbe. Somit kann die irreversible Verformung des Stützelements in dem Soll-Verform-Bereich erfolgen. So kann das Stützelement gezielt für eine verfügbare Aktorkraft und die erwartete Last des Sperrelements ausgelegt und dimensioniert werden. Dies erhöht die erreichbare Zuverlässigkeit der Ventileinrichtung. Insbesondere können aufgrund des für die irreversible Verformung vorgesehenen Soll-Verform-Bereichs besonders gering dimensionierte Aktoren verwendet werden. Dies wirkt sich vorteilhaft auf das Gewicht, den Bauraumbedarf und die Kosten der Ventileinrichtung aus.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Soll-Verform-Bereich als ein Steg zwischen einer ersten Stützstrebe des Stützelements und einer weiteren Stützstrebe des Stützelements ausgebildet. Mit anderen Worten: das Stützelement weist im Wesentlichen eine H-Form oder A-Form auf. Die erste und die weitere Stützstrebe sind hierbei z.B. nahezu parallel zueinander orientiert (H-Form) oder leicht zueinander angewinkelt (A-Form). Durch den Steg zwischen der ersten und weiteren Stützstrebe wird die Gesamtsteifigkeit des Stützelements erhöht. Mit anderen Worten: In der technischen Modellvorstellung des Eulerschen Knickfalls wird durch den als Steg ausgebildeten Soll-Verform-Bereich die freie Knicklänge der ersten und weiteren Stützstrebe verringert bzw. verkürzt, so dass die Stützstreben jeweils entsprechend mehr Last vor Erreichen einer kritischen Knicklast tragen können. Insbesondere wird die Last des Sperrelements derart auf das Stützelement übertragen, dass die erste und die weitere Stützstrebe durch die Last des Sperrelements im Wesentlichen auf Druck belastet sind. Durch den Steg kann dann z.B. verhindert werden, dass eine oder beide Stützstreben unter der Last des Sperrelements kollabieren bzw. wegknicken. Wird der Steg nun irreversibel verformt bzw. durchtrennt, so wird die Gesamtsteifigkeit des Stützelements gezielt reduziert. Durch die gezielte Reduzierung der Gesamtsteifigkeit kann dann z.B. ein Wegknicken mindestens einer Stützstrebe unter der Last des Sperrelements erreicht werden. Mit anderen Worten und in Analogie zur o.g. Modellvorstellung: Durch die irreversible Verformung des Stegs wird die freie Knicklänge der ersten und weiteren Stützstrebe vergrößert bzw. verlängert, so dass die Stützstreben jeweils entsprechend weniger Last vor Erreichen einer kritischen Knicklast tragen können. Somit kann das Stützelement durch Ausbilden des Soll-Verform-Bereichs als Steg zwischen einer ersten und einer weiteren Stützstrebe gezielt auf die zu erwartende Last des Sperrelements ausgelegt und dimensioniert werden. Dies erhöht die erreichbare Zuverlässigkeit und sonstigen für den Soll-Verform-Bereich zuvor angeführten Vorteile der Ventileinrichtung weiter.
In einer weiteren Ausführungsform sind das Stützelement und das Sperrelement derart angeordnet, dass das Sperrelement durch das Stützelement entlang einer Längsachse der Ventileinrichtung abgestützt wird. Beispielsweise kann das Stützelement stromabwärts, insbesondere hinter der Öffnung, angeordnet sein. Das Sperrelement kann hierbei auf dem Stützelement aufliegen. Somit belastet das Sperrelement das Stützelement entlang der Längsachse. Vorzugsweise ist der Aktor ebenfalls entlang der Längsachse, insbesondere weiter stromabwärts, also hinter dem Stützelement angeordnet. Durch eine solche Aneinanderreihung von Sperrelement, Stützelement (und auch Aktor) wird ein kompakter Aufbau der Ventileinrichtung entlang der Längsachse erreicht. Zudem kann auf diese Weise Bauraum quer zur Längsachse eingespart werden.
Vorzugsweise ist die Längsachse der Ventileinrichtung eine Symmetrieachse des Sperrelements und/oder des Stützelements und/oder des Aktors. So wird zusätzlich eine möglichst gleichmäßige Gewichtsverteilung um die Längsachse erreicht. Dies erleichtert ferner auch die Dimensionierung und die Auslegung der Ventileinrichtung, da Symmetrieeffekte genutzt werden können. Dies ist insbesondere für die Verwendung der Ventileinrichtung in einem Flugkörper vorteilhaft.
In einer weiteren Ausführungsform sind das Sperrelement und das Leitungselement derart angeordnet, dass das Sperrelement entlang einer Längsachse der Ventileinrichtung aus dem Leitungselement zumindest teilweise herausbewegt wird, wenn das Stützelement irreversibel verformt ist. Vorzugsweise entspricht das Herausbewegen des Sperrelements einer Linearbewegung entlang der Längsachse. So wird erreicht, dass Kräfte, wie z.B. Trägheitskräfte, die aus dem Herausbewegen des Sperrelements resultieren, entlang der Längsachse wirken. So werden Biege- und/oder Scherbeanspruchungen auf das Leitungselement und/oder einen anderen Teil der Ventileinrichtung, reduziert. Dies vereinfacht die Auslegung und Dimensionierung der Ventileinrichtung. Zudem kann auf durch die beschriebene Anordnung Bauraum quer zur Längsachse eingespart werden.
Vorzugsweise weist das Sperrelement einen Führungsbereich zur Führung einer Bewegung des Sperrelements auf. Der Führungsbereich kann derart ausgebildet sein, dass das Sperrelement z.B. einer Form des Leitungselements, insbesondere der Innenwand des Leitungselements angepasst ist. Mit anderen Worten: Der Führungsbereich liegt radial an der Innenwand des Leitungselements an. So kann das Herausbewegen des Sperrelements z.B. von dem Leitungselement, insbesondere entlang einer Innenwand des Leitungselements, geführt werden. Hierdurch wird sichergestellt, dass das Herausbewegen kontrolliert, insbesondere geradlinig, erfolgt.
In einer weiteren Ausführungsform weist das Sperrelement mindestens eine Durchlassöffnung auf, wobei ein Fluidstrom durch die Durchlassöffnung über das zumindest teilweise Herausbewegen aus dem Leitungselement freigegeben wird. Mittels der Durchlassöffnung kann der freigegebene Fluidstrom durch die Ventileinrichtung beeinflusst werden. So kann die Durchlassöffnung z.B. einen kleineren Querschnitt aufweisen als die Öffnung selbst, sodass der Fluidstrom durch die Durchlassöffnung stärker begrenzt ist. Die Durchlassöffnung kann radial angeordnet sein. Mit anderen Worten: die Durchlassöffnung ist derart angeordnet, dass der Fluidstrom die Durchlassöffnung quer zur Längsachse L bzw. quer zur Strömungsrichtung durchströmt. Die Durchlassöffnung kann z.B. in dem zuvor erwähnten Führungsbereich des Sperrelements angeordnet sein. So kann erreicht werden, dass die Durchlassöffnung vor dem Herausbewegen des Sperrelements z.B. durch eine Innenwand des Leitungselements verschlossen ist. Ferner kann mittels der Durchlassöffnung sichergestellt werden, dass das Sperrelement den Fluidstrom durch die Öffnung nicht unnötig einschränkt, wenn das Sperrelement z.B. nur teilweise aus der Öffnung herausbewegt wird. Dies wirkt sich vorteilhaft auf die Zuverlässigkeit der Ventileinrichtung aus.
In einer weiteren Ausführungsform weist das Sperrelement ein Dichtmittel zum Abdichten des Leitungselements auf. Insbesondere dichtet das Dichtmittel einen Zwischenraum zwischen Sperrelement und Leitungselement ab. Das Dichtmittel kann z.B. als O-Ring ausgebildet sein und einer dafür vorgesehen Nut des Sperrelements angeordnet sein. Durch das Dichtmittel kann sichergestellt werden, dass der Fluidstrom in einem Sperrzustand der Ventileinrichtung nicht an dem Sperrelement vorbeiströmt.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Ventileinrichtung mindestens ein Stoppelement auf, wobei das Stoppelement derart ausgebildet ist, dass ein zumindest teilweises Herausbewegen des Sperrelements, insbesondere aus der Öffnung, begrenzt wird. Wenn das Sperrelement in Folge der irreversiblen Verformung des Stützelements aus der Öffnung herausbewegt wird, kann das Herausbewegen durch ein Anschlagen des Sperrelements an dem Stoppelement begrenzt werden. Das Sperrelement kommt dann an dem Stoppelement zur Ruhe. Das Stoppelement ist vorzugsweise stromabwärts angeordnet. Das Stoppelement kann z.B. keil- oder kegelförmig ausgebildet sein und entlang der Längsachse der Ventilvorrichtung angeordnet sein. Um den Fluidstrom aus der Öffnung nicht zu behindern, kann das Stoppelement z.B. Fluidkanäle aufweisen, durch welche das Fluid weiter stromabwärts fließen kann. Durch das Stoppelement kann in vorteilhafter Weise die Bewegung des Sperrelements nach der Einmalöffnung kontrolliert und begrenzt werden. Dies reduziert die Gefahr für Beschädigungen durch die Bewegung des Sperrelements an der Ventileinrichtung oder anderen Komponenten, z.B. innerhalb eines Flugkörpers.
In einer weiteren Ausführungsform ist das mindestens eine Stützelement mittels eines additiven Verfahren hergestellt. Hierdurch wird erreicht, dass das Stützelement, z.B. in der Entwicklung von Prototypen der Ventileinrichtung, schnell und kostengünstig hergestellt werden kann. Ferner lassen sich z.B. iterative Optimierung oder andere Anpassungen am Stützelement ohne grundsätzliche Veränderungen am Wirkprinzip der Ventileinrichtung, des Stützelements oder des additiven Verfahrens schnell einarbeiten. Geeignete additive Verfahren sind z.B. das Fused Deposition Modeling oder das Multi-Jet Modeling.
Vorzugsweise weist das Stützelement eine zweidimensionale Grundfläche auf, wobei das Stützelement ausgehend von der Grundfläche in einer Raumrichtung schichtweise gedruckt wird. Mit anderen Worten: das Stützelement wird ohne nennenswerte Überhangbereiche hergestellt. So kann das Stützelement auf einfache Weise, insbesondere ohne zusätzliche Stabilisierungsstrukturen, additiv gefertigt werden. So sind in vorteilhafter Weise ein Materialeinsatz, eine Herstellungsdauer sowie etwaige Nachbearbeitungsschritte reduziert.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Ventileinrichtung mindestens ein Ableitelement auf. Das Ableitelement dient zum Ableiten von Bruchstücken des Stützelements. Mit anderen Worten: das Ableitelement fungiert als Sieb. Bruchstücke können insbesondere als Folge der irreversiblen Verformung des Stützelements entstehen. Das Ableitelement kann z.B. eine Gitterstruktur mit einer Vielzahl von Streben und Öffnungen aufweisen. Durch die Öffnungen kann der Fluidstrom nach der Einmalöffnung strömen. Die Öffnungen können so ausgebildet sein, dass z.B. Bruchstücke vorbestimmter Größe nicht durch die Öffnungen passen. Die Streben dienen zum Ableiten von Bruchstücken. Das Ableitelement ist stromabwärts hinter dem Stützelement angeordnet, um etwaige Bruchstücke ableiten zu können. Vorzugsweise kann das Ableitelement kegelförmig ausgebildet sein, d.h. das Ableitelement weist ausgehend von einer Spitze z.B. eine kegelförmige Mantelfläche mit einer Vielzahl von Streben und Öffnungen auf. Besonders vorzugsweise ist die Spitze des Auffangelements stromaufwärts orientiert. So kann sichergestellt werden, dass Bruchstücke stromabwärts und quer zur Strömungsrichtung, z.B. entlang der Mantelfläche des Ableitelements, durch den Fluidstrom abgeleitet werden und ein zentraler Bereich des Ableitelements frei von Bruchstücken bleibt. Der zentrale Bereich kann z.B. ein Bereich der Mantelfläche des Ableitelements sein, der um die Spitze des Ableitelements angeordnet ist. Die Vielzahl von Öffnung kann im zentralen Bereich angeordnet sein. Durch das Ableitelement kann sichergestellt werden, dass Bruchstücke nicht weiter stromabwärts beweget werden und der Fluidstrom nicht durch Bruchstücke behindert wird.
Weiter vorgeschlagen wird ein Flugkörper, umfassend:

- mindestens eine Speichereinrichtung zur Fluidspeicherung,
- mindestens eine Brennkammereinrichtung zur Brennstoffverbrennung,
- mindestens eine Ventileinrichtung nach einer der in dieser Offenbarung beschriebenen Ausführungsformen,

Der vorgeschlagene Flugkörper ermöglicht durch die Verwendung einer Ventileinrichtung nach einer in dieser Offenbarung beschriebenen Ausführungsform eine besonders zuverlässige fluidtechnische Verbindung zwischen Speichereinrichtung und Brennkammereinrichtung. Insbesondere sind die Kosten - auch aufgrund des kompakten und einfachen Aufbaus - der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung gering, so dass sich dies positiv auf die Wirtschaftlichkeit des Flugkörpers auswirkt. Die in dieser Offenbarung für die erfindungsgemäße Ventileinrichtung angeführten technischen Effekte und Vorteile erstrecken sich somit auch auf den Flugkörper mit Ventileinrichtung zur Einmalöffnung.
Der Flugkörper ist vorzugsweise ein Flugkörper mit Raketenantrieb wie z.B. eine Rakete. Der Raketenantrieb kann z.B. ein Flüssigkeitsraketenantrieb oder ein Hybridraketenantrieb sein. D.h. der Flugkörper generiert durch Ausstoßen eines Heißgasgemisches nach dem Rückstoßprinzip Vortrieb.
Die Speichereinrichtung ist beispielsweise als Tank ausgebildet. Das Fluid kann der Speichereinrichtung z.B. vor dem Start des Flugkörpers über eine Betankungseinrichtung zugeführt werden.
Nach der Einmalöffnung der Ventileinrichtung strömt das Fluid als Fluidstrom von der Speichereinrichtung, insbesondere kontinuierlich, durch die Ventileinrichtung zur Brennkammereinrichtung.
Die Brennkammereinrichtung kann z.B. durch eine Brennkammerwand begrenzt sein. Insbesondere kann die Brennkammereinrichtung ein Injektorelement bzw. eine Injektorplatte zur gleichmäßigen Einspritzung des Fluids aufweisen. Das zuvor erläuterte Ableitelement kann vor dem Injektorelement angeordnet sein. Die Brennkammereinrichtung dient zur, insbesondere kontinuierlichen, Verbrennung des Brennstoffes. Hierzu kann der Brennstoff in der Brennkammereinrichtung mit einem Oxidator gemischt werden, entzündet werden und dann nach einer exothermen Reaktion als Heißgasgemisch z.B. über eine Düseneinrichtung aus einer Auslassöffnung des Flugkörpers ausgestoßen werden.
Der Flugkörper dient insbesondere zum Transport einer Nutzlast. Hierzu kann der Flugkörper auch eine entsprechende Nutzlasteinrichtung, wie z.B. einen Behälter, aufweisen.
Vorzugsweise weist der Flugkörper eine Außenhülle auf. Die Außenhülle kann z.B. die zuvor beschriebenen Komponenten ummanteln und so vor einer äußeren Umgebung schützen. Ferner kann die Außenhülle tragend ausgebildet sein. Die Speichereinrichtung und/oder die Brennkammereinrichtung kann/können Verbindungsmittel zur Verbindung mit der Außenhülle aufweisen. Das Verbindungsmittel kann z.B. eine Niet- oder Schraubverbindung sein. So können auf den Flugkörper wirkende Kräfte und Momente über das Verbindungsmittel zwischen der Speichereinrichtung und/oder Brennkammereinrichtung und der Außenhülle übertragen werden. Selbstverständlich können auch anderen Komponenten mit der Außenhülle verbunden sein.
Eine Orientierung des Flugkörpers im Raum und der Komponenten des Flugkörpers zueinander kann durch das bereits für die Ventileinrichtung erläuterte kartesische Koordinatensystem beschrieben werden. Vorzugsweise ist die Längsachse der Ventileinrichtung eine Rollachse des Flugkörpers. Die Querachse kann eine Nickachse des Flugkörpers und die Hochachse kann eine Gierachse des Flugkörpers sein.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Figuren zeigen:

1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Flugkörpers,
2 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ventileinrichtung vor der Einmalöffnung,
2-A eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sperrelements,
2-B eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stützelements,
3 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ventileinrichtung während der Betätigung des Aktors, und
4 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ventileinrichtung nach der Einmalöffnung.

Nachfolgend bezeichnen gleiche Bezugszeichen Elemente mit gleichen oder ähnlichen technischen Merkmalen.
1 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Flugkörpers 50. Der als Rakete ausgebildete Flugkörper 50 wird mittels eines Raketenantriebs in einer Hauptflugrichtung H angetrieben (durch einen Pfeil gekennzeichnet). Hierzu umfasst der Flugkörper 50 eine Brennkammereinrichtung 52 zur Verbrennung eines festen Brennstoffs. Der feste Brennstoff kann z.B. an einer Brennkammerwand der Brennkammereinrichtung 52 angeordnet sein (nicht dargestellt). Ferner umfasst der Flugkörper 50 unter anderem eine Speichereinrichtung 51 zur Fluidspeicherung, hier zur Speicherung eines flüssigen Oxidators, sowie eine Ventileinrichtung 1 nach einer in dieser Offenbarung beschriebenen Ausführungsform.
Da der Brennstoff in der gezeigten Ausführungsform fest ist und der Oxidator, wie z.B. Distickstoffmonoxid, flüssig ist, wird der Raketenantrieb auch als Hybridraketenantrieb bezeichnet. Es sind aber auch Ausführungsformen denkbar, in denen sowohl der Brennstoff als auch der Oxidator flüssig sind. Hierbei können dann insbesondere jeweils eine separate Speichereinrichtung 52 und jeweils eine separate Ventileinrichtung 1 vorgesehen sein, die den Brennstoff bzw. Oxidator separat zu der Brennkammereinrichtung 52 führen.
Zum besseren Verständnis ist in den 1, 2, 3 und 4 ein Referenzkoordinatensystem X, Y, Z dargestellt. In 1 ist der Ursprung des Referenzkoordinatensystems X, Y, Z an der Spitze 72 des Flugkörpers 50 verortet. Eine Rollachse X des Flugkörpers 50 ist in der Hauptflugrichtung H des Flugkörpers 50 orientiert. Orthogonal zur Rollachse X sind eine Nickachse Y sowie eine Gierachse Z orientiert, wobei die Nickachse Y und die Gierachse Z ebenfalls orthogonal zueinander orientiert sind. Die Rollachse X entspricht auch einer Längsachse L des Flugkörpers 50 bzw. der Ventileinrichtung 1. Zudem entspricht die Längsachse L im Wesentlichen einer Symmetrieachse des Flugkörpers 50 bzw. der Ventileinrichtung 1, so dass eine entsprechend gleichmäßige Gewichtsverteilung um die Längsachse L erzielt wird. Bauteile, die aus bautechnischen Gründen nicht rotationssymmetrisch ausgebildet sind, werden im Folgenden näher erläutert.
Ausgehend von der Spitze 72 des Flugkörpers 50 ergibt sich der folgende, abschnittsweise Aufbau des Flugkörpers 50. In einem Nutzlastabschnitt 66 in der Front des Flugkörpers 50 ist zur Aufnahme von Nutzlast eine Nutzlasteinrichtung 56 angeordnet. Die als Behälter ausgebildete Nutzlasteinrichtung 56 ist über Verbindungsmittel 71, z.B. Stege, mit einer Außenhülle 70 des Flugkörpers 50 verbunden. Denkbar ist aber auch, dass die Außenhülle 70 bzw. ein Bereich der Außenhülle 70 selbst als Nutzlasteinrichtung 56 ausgebildet ist. Dies wirkt sich vorteilhaft auf das Gesamtgewicht des Flugkörpers 50 aus.
Unterhalb der Nutzlasteinrichtung 56 ist die Speichereinrichtung 51 in einem Speicherabschnitt 61 angeordnet. Die Speichereinrichtung 51 ist ebenfalls über Verbindungsmittel 71 mit der Außenhülle 70 des Flugkörpers 50 verbunden. Denkbar ist aber auch, dass die Außenhülle 70 oder ein Bereich der Außenhülle 70 selbst eine Innenwand der Speichereinrichtung 51 ausbildet. Dies wirkt sich vorteilhaft auf das Gesamtgewicht des Flugkörpers 50 aus.
Die Speichereinrichtung 51 ist fluidtechnisch an ein Leitungselement 2 der Ventileinrichtung 1 gekoppelt (vgl. 2). Das Leitungselement 2 kann z.B. an die Speichereinrichtung 51 angeflanscht sein.
Die Ventileinrichtung 1 erstreckt sich über einen ersten Leitungsabschnitt 20 und einen weiteren Leitungsabschnitt 22. Im geöffneten Zustand der Ventileinrichtung fließt ein Fluidstrom somit von der Speichereinrichtung 51 durch die Leitungsabschnitte 20,22 in die Brennkammerabschnitt 62.
Die Brennkammereinrichtung 52 ist in dem Brennkammerabschnitt 62 angeordnet ist. Die Brennkammereinrichtung 52 umfasst ein Injektorelement 53 mit mehreren Bohrungen, durch welche ein Fluid in einen Brennraum der Brennkammereinrichtung 52 einströmen kann, wo es dann mit einem Oxidator zu einem Heißgasgemisch reagiert.
Die Brennkammereinrichtung 52 mündet in eine Düseneinrichtung 55, die zur Beschleunigung des Heißgasgemisches dient. Die Düseneinrichtung 55 ist in einem Düsenabschnitt 65 angeordnet. Das Heißgasgemisch tritt durch die Auslassöffnung 73 aus dem Flugkörper 50 aus, wobei der hierbei übertragene Rückstoß zum Vortrieb des Flugkörpers 50 genutzt wird.
Die in 2 dargestellte Ausführungsform der Ventileinrichtung 1 zeigt Details der in 1 erläuterten fluidtechnischen Verbindung zwischen der Speichereinrichtung 51, der Ventileinrichtung 1 und der Brennkammereinrichtung 52 in einem Zustand vor der Einmalöffnung der Ventileinrichtung 1, also in einem ungeöffneten Zustand, z.B. vor dem Start des Flugkörpers 50.
Vor dem Start des Flugkörpers 50 wird die Speichereinrichtung 51 über eine Betankungseinrichtung (nicht dargestellt) mit einem Fluid, insbesondere mit dem zur Verbrennung des festen Brennstoffs benötigten Oxidators, betankt. Die Speichereinrichtung 51 steht nach der Betankung unter Druck, insbesondere um das in der Speichereinrichtung 51 gespeicherte Fluid flüssig zu halten. Ein Innendruck der Speichereinrichtung 51 kann z.B. 7 MPa gegenüber einer äußeren Umgebung 100 betragen. Dieser Innendruck wirkt z.B. über eine Querschnittsfläche des Sperrelements 4 als Last P auf das Sperrelement 4. Um das Sperrelement 4 in der gezeigten Sperrposition zu halten, ist unterhalb des Sperrelements 4 ein Stützelement 5 angeordnet, welches die Last P aufnimmt. Das Stützelement 5 ruht auf einem Vorsprung 16 und überträgt die Last P über eine Innenwand der Brennkammereinrichtung 52 an die Außenhülle 70 des Flugkörpers 50.
Zum gezeigten Aufbau der Ventileinrichtung 1 ist zu erwähnen, dass die Ventileinrichtung 1 ein Leitungselement 2 und ein weiteres Leitungselement 21 aufweist, wobei das Leitungselement 2 entlang der Längsachse L in das weitere Leitungselement 21 eingeschoben ist. Dies ermöglicht eine besonders einfache Montage der Ventileinrichtung 1. Zur Abdichtung zwischen den Leitungselementen 2, 21 ist ein als O-Ring ausgebildetes Dichtmittel 14 vorgesehen. Ferner wird durch den gezeigten Aufbau erreicht, dass entlang der Längsachse L keine Belastungen vom Leitungselement 2 auf das weitere Leitungselement 21 übertragen werden. Vielmehr werden etwaige Belastungen zwischen z.B. der Speichereinrichtung 51 und der Brennkammereinrichtung 52 über die Außenhülle 70 übertragen. Lediglich die Last P des Sperrelements 4 wird auf das Stützelement 5 übertragen. Dies verringert den Aufwand bei der Strukturauslegung der Ventileinrichtung 1. Zusätzlich ist auch die Gefahr einer mechanischen Überbeanspruchung, z.B. in Folge einer Längsbelastung, der Ventileinrichtung 1 reduziert.
2-A zeigt eine Querschnittsansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines rotationssymmetrischen Sperrelements 4. Das Sperrelement 4 ist als hohlzylindrischer Kolben ausgebildet. Das Sperrelement 4 umfasst einen Verschlussbereich 31, der den Boden des Sperrelements 4 bildet. Ferner umfasst das Sperrelement 4 einen Führungsbereich 32, der eine zylindrische Wandung des Sperrelements 4 bildet und zur Führung einer Bewegung des Sperrmittels 4 entlang der Längsachse L dient (vgl. 2 und 4). An einem Übergang vom Verschlussbereich 31 zum Führungsbereich 32 ist eine umlaufende Nut 33 zur Aufnahme eines als O-Ring ausgebildeten Dichtmittels 13 vorgesehen.
Ferner weist der Führungsbereich 32 als Bohrungen ausgebildete Durchlassöffnungen 12 auf. Nach der Einmalöffnung der Ventilvorrichtung 1 kann dann ein Fluid durch die Durchlassöffnungen 12 vom Leitungselement 2 in das weitere Leitungselement 21 strömen (vgl. 4).
Der Führungsbereich 32 kann ferner z.B. vor den Durchlassöffnungen 12, also stromaufwärts, ebenfalls ein als O-Ring ausgebildetes Dichtmittel aufweisen (nicht dargestellt). So kann eine saubere Führung des Sperrelements 4 ermöglicht werden d.h. ein Verkanten des Sperrelements 4 z.B. in dem Leitungselement 2 oder eine Beschädigung des Sperrelements 4 beim zumindest teilweisen Herausbewegen, kann vermieden werden.
2-B zeigt eine Querschnittsansicht einer bevorzugten Ausführungsform des Stützelements 5. Das Stützelement 5 ist nicht rotationssymmetrisch ausgebildet, sondern die Längsachse L bildet seine Symmetrieachse des flachen Stützelements 5, welches im Wesentlichen eine A-Form aufweist. Das Stützelement 5 umfasst einen Auflagebereich 34, auf welchem das Sperrelement 4 vor der Einmalöffnung aufliegt. So wird die Last P in das Stützelement 5 eingebracht. Rechts und links der Längsachse L wird die Last P dann über eine erste Stützstrebe 8 und eine weitere Stützstrebe 9 jeweils in einen Fußbereich 35 des Stützelements 5 geleitet. Der Fußbereich 35 ruht auf dem Vorsprung 16 (vgl. 2). Das Stützelement 5 kann vor der Einmalöffnung - zusätzlich zu dem Vorsprung 16 - zum Teil auch auf dem Aktor 6 ruhen und über diesen einen Teil der Last P abstützen (vgl. 2). Dies ist im Folgenden noch näher erläutert.
Die erste Stützstrebe 8 und die weitere Stützstrebe 9 sind über einen als Steg ausgebildeten Soll-Verform-Bereich 7 miteinander verbunden.
Ferner sind die erste Stützstrebe 8 und die weitere Stützstrebe 9 jeweils in einen ersten Teilbereich 8-1, 9-1 und einen weiteren Teilbereich 8-2, 9-2 unterteilt. Alle Teilbereiche 8-1, 9-1, 8-2, 9-2 sind als Streben ausgebildet und weisen eine größere Längsausdehnung als Querausdehnung auf.
Die folgend beschriebenen Eigenschaften des Stützelements 5 treffen auf die erste Stützstrebe 8 und weitere Stützstrebe 9 zu, also auf die linke und rechte Symmetriehälfte des Stützelements 5.
Der erste Teilbereich 8-1, 9-1 verbindet jeweils den Auflagebereich 34 mit dem Soll-Verform-Bereich 7. Der weitere Teilbereich 8-2, 9-2 verbindet den Soll-Verform-Bereich 7 mit dem jeweiligen Fußbereich 35 des Stützelements 5.
Eine lokale Längsachse L1 des ersten Teilbereichs 9-1 schneidet die Längsachse L der Ventileinrichtung 1 in einem ersten Winkel 38. Eine lokale Längsachse L2 des weiteren Teilbereichs 9-2 schneidet die Längsachse L der Ventileinrichtung 1 in einem weiteren Winkel 39. Zur besseren Übersicht ist dies nur an der rechten Symmetriehälfte dargestellt. Der erste Winkel 38 ist größer als der weitere Winkel 39. Aufgrund dieser Winkeldifferenz und der Belastung durch die Last P stützt der Soll-Verform-Bereich 7 die erste Stützstrebe 8 und die weitere Stützstrebe 9 gegen ein Wegknicken ab.
Bezugnehmend auf die zuvor erläuterte Modellvorstellung können beide Stützstreben 8, 9 daher als Eulerscher Knickstab betrachtet werden. Der Steg bzw. der Soll-Verform-Bereich 7 sorgt dafür, dass die freie Knicklänge der Stützstreben 8, 9 verringert bzw. verkürzt wird. Der Steg stabilisiert die Stützstreben 8, 9 somit im bestimmungsgemäßen Gebrauch, insbesondere gegen ein Wegknicken unter der Last P. Zusätzlich sorgt die beschriebene Winkeldifferenz der Stützstreben 8, 9 dafür, dass der Soll-Verform-Bereich 7 unter der Last P auf Druck belastet ist. So kann der Soll-Verform-Bereich 7 in der Modellvorstellung ebenfalls als ein Eulerscher Knickstab betrachtet werden kann.
Zur Einmalöffnung wird der Soll-Verform-Bereich 7 durch einen pyroaktivierten Aktor 6 verformt und gegebenenfalls durchtrennt (vgl. 3). Hierzu kann der Soll-Verform-Bereich 7 einen Trennkeil 36 aufweisen, der durch den Aktor 6 entlang der Längsachse L verschoben wird. Der Trennkeil 36 kann aber selbstverständlich auch Teil des pyroaktivierten Aktors 6 sein.
In der in 2 gezeigten Ausführungsform liegt der Soll-Verform-Bereich 7 auf dem Aktor 7 auf, so dass ein Teil der Last P durch den Aktor 6 aufgenommen wird. Während die Stabilität der Stützstreben 8, 9 - wie zuvor beschrieben - durch den Soll-Verform-Bereich 7 erhöht wird, wird der Soll-Verform-Bereich 7 wiederum durch das Auflasten auf dem Aktor 6 zusätzlich gestützt.
Eine Auslegung der auf das Stützelement 5 (und den Aktor 6) wirkenden Lasten und Spannungen kann nun effektiv nach den Modellvorstellungen des Fachwerksprinzips erfolgen. Zur Einmalöffnung muss die Auflast des Soll-Verform-Bereich 7 auf dem Aktor 6 kleiner sein als die mittels des Aktors 6 verfügbare Aktorkraft. Wenn der Aktor 6 nun ausgelöst wird, wird der Soll-Verform-Bereich 7 irreversibel entlang der Kerbe 37, insbesondere entlang der Längsachse L verformt. Durch die auf den Soll-Verform-Bereich 7 wirkende Drucklast der Stützstreben 8,9 kollabiert der Steg in einem ersten Schritt somit entlang Kerbe 37 bzw. der Längsachse L (siehe 3). In einem weiteren Schritt kollabieren dann auch die Stützstreben 8, 9 (vgl. 4).
Durch das beschriebene mehrschrittige Kollabieren kann der Aktor 6 gezielt auf die notwendige Aktorkraft im ersten Schritt des Kollabierens ausgelegt werden. Ferner kann bei der Auslegung des Stützelements berücksichtigt werden, dass die Last P - im geschlossenen Zustand der Ventileinrichtung 1 - auch unter Lastschwankungen, z.B. in Folge von Erschütterungen, sicher durch das Stützelement 5 geleitet wird und dass bei Auslösen des Aktors 6 das definierte, sichere zweistufige Kollabieren des Stützelements 5 stattfindet.
Die 3 zeigt die Betätigung des pyroaktivierten Aktors 6. Der Aktor 6 zündet eine Pyroladung (dargestellt als Explosion zwischen Aktor 6 und Soll-Verform-Bereich 7). Es ist ferner denkbar, dass der pyroaktivierte Aktor 6 einen Kolben aufweist (nicht dargestellt), der durch Zünden der Pyroladung z.B. den Trennkeil 36 verschiebt und so den Soll-Verform-Bereich 7 irreversibel verformt. Hierbei wird der Soll-Verform-Bereich 7 - wie bereits erläutert - geknickt und ggf. durchtrennt, wodurch die Gesamtsteifigkeit des Stützelements 5 reduziert ist.
4 zeigt, dass das Stützelement 5 aufgrund der reduzierten Gesamtsteifigkeit unter der Last P des Sperrelements 4 kollabiert. Hierdurch kommt es zu einem Herausbewegen des Sperrelements 4 durch die Öffnung 3. Das Herausbewegen des Sperrelements 4 erfolgt entlang der Längsachse L vom ersten Leitungsabschnitt 2 in den weiteren Leitungsabschnitt 22. Das Herausbewegen wird durch ein als zwei Stoppkeile ausgebildetes Stoppelement 15 begrenzt. Hierdurch wird die Ventileinrichtung 1 bzw. der Flugkörper 50 vor Beschädigungen durch das sich bewegende Sperrelement 4 geschützt.
Weiter stromabwärts ist ein kegelförmiges Ableitelement 54 angeordnet. Das Ableitelement 54 fungiert als Sieb, welches etwaige Bruchstücke des Stützelements 5 entsprechender Größe (nicht dargestellt) davon abhält, weiter stromabwärts in die Brennkammereinrichtung 52 zu gelangen. Vielmehr werden die vom Fluidstrom stromabwärts mitgeführten Bruchstücke aufgrund des Ableitelements 54 entlang der Quer- bzw. Hochachse Y, Z von der Längsachse L abgeleitet, ohne hierbei Öffnungen des Injektorelements 53 zu bedecken. Hierdurch wird der Fluidstrom durch das Injektorelement 53 nicht durch Bruchstücke gestört.
Bezugszeichenliste

1: Ventileinrichtung
2: Leitungselement
3: Öffnung
4: Sperrelement
5: Stützelement
6: Aktor
7: Soll-Verform-Bereich
8: erste Stützstrebe
8-1: erster Teilbereich der ersten Stützstrebe
8-2: weiterer Teilbereich der ersten Stützstrebe
9: weitere Stützstrebe
9-1: erster Teilbereich der weiteren Stützstrebe
9-2: weiterer Teilbereich der weiteren Stützstrebe
12: Durchlassöffnung
13: Dichtmittel
14: weiteres Dichtmittel
15: Stoppelement
16: Vorsprung
20: Leitungsabschnitt
21: weiteres Leitungselement
22: weiterer Leitungsabschnitt
31: Verschlussbereich des Sperrelements
32: Führungsbereich des Sperrelements
33: Nut für Dichtmittel
34: Auflagebereich für Sperrelement
35: Fußbereich für Stützstrebe
36: Trennkeil
37: Kerbe
38: erster Winkel
39: weiterer Winkel
50: Flugkörper
51: Speichereinrichtung
52: Brennkammereinrichtung
53: Injektorelement
54: Ableitelement
55: Düseneinrichtung
56: Nutzlasteinrichtung
61: Speicherabschnitt
62: Brennkammerabschnitt
65: Düsenabschnitt
66: Nutzlastabschnitt
70: Außenhülle
71: Verbindungsmittel
72: Spitze
73: Auslassöffnung
100: Umgebung
H: Hauptflugrichtung
L: Längsachse
L1: lokale Längsachse
L2: lokale Längsachse
P: Last
X: Rollachse
Y: Nickachse
Z: Gierachse

Claims

Ventileinrichtung (1) zur Einmalöffnung, umfassend: - mindestens ein Leitungselement (2) zum Leiten eines Fluidstroms, wobei das Leitungselement eine Öffnung (3) aufweist, - mindestens ein Sperrelement (4) zum Sperren eines Fluidstroms durch die Öffnung (3), - mindestens ein Stützelement (5) zum Stützen einer Last (P) des Sperrelements (4), - mindestens einen Aktor (6) zum irreversiblen Verformen des Stützelements (5), wobei ein mechanisches Zusammenwirken zwischen dem Aktor (6) und dem Stützelement (5) und dem Sperrelement (4) derart ausgebildet ist, dass durch Betätigen des Aktors (6) das Stützelement (5) irreversibel verformt wird, wobei dann die Last (P) ausreicht, um das Sperrelement (4) aus dem Leitungselement (2) zumindest teilweise herauszubewegen und einen Fluidstrom durch die Öffnung (3) freizugeben.
Ventileinrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Stützelement (5) mindestens einen Soll-Verform-Bereich (7) aufweist, wobei der Aktor (6) dazu ausgebildet ist, den mindestens einen Soll-Verform-Bereich (7) zu verformen.
Ventileinrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Soll-Verform-Bereich (7) als ein Steg zwischen einer ersten Stützstrebe (8) des Stützelements (5) und einer weiteren Stützstrebe (9) des Stützelements (5) ausgebildet ist.
Ventileinrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stützelement (5) und das Sperrelement (4) derart angeordnet sind, dass das Sperrelement (4) durch das Stützelement (5) entlang einer Längsachse (L) der Ventileinrichtung (1) abgestützt wird.
Ventileinrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sperrelement (4) und der Leitungselement (2) derart angeordnet sind, dass das Sperrelement (4) entlang einer Längsachse (L) der Ventileinrichtung (1) aus dem Leitungselement (2) zumindest teilweise herausbewegt wird, wenn das Stützelement (5) irreversibel verformt ist.
Ventileinrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sperrelement (4) mindestens eine Durchlassöffnung (12) aufweist, wobei ein Fluidstrom durch die Durchlassöffnung (12) über das zumindest teilweise Herausbewegen aus dem Leitungselement (2) freigegeben wird.
Ventileinrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sperrelement (4) ein Dichtmittel (13) zum Abdichten des Leitungselements (2) aufweist.
Ventileinrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventileinrichtung (1) mindestens ein Stoppelement (15) aufweist, wobei das Stoppelement (15) derart ausgebildet ist, dass ein zumindest teilweises Herausbewegen des Sperrelements (4) begrenzt wird.
Ventileinrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Stützelement (5) mittels eines additiven Verfahren hergestellt ist.
Flugkörper (50), umfassend: - mindestens eine Speichereinrichtung (51) zur Fluidspeicherung, - mindestens eine Brennkammereinrichtung (52) zur Brennstoffverbrennung, - mindestens eine Ventileinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Speichereinrichtung (51) über die Ventileinrichtung (1) mit der Brennkammereinrichtung (52) fluidtechnisch verbunden ist.