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Vorrichtung zur Leitung und gerichteten Freigabe von Gasen, insbesondere
für Raketenantriebe Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Leitung
und gerichteten Freigabe von heißen, mit großer Geschwindigkeit austretenden Gasen,
insbesondere für Raketenantriebe, mit einer in einem äußeren metallischen Tragmantel
angeordneten zweischichtigen, feuerfesten Auskleidung, wobei die innerste, in Längsrichtung
ungeteilte Schicht aus einem an Siliziunmitrid gebundenen Körper besteht.
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Das bei diesen Ausstoßkörpern auftretende Problem ist die Widerstandsfähigkeit
gegenüber sehr hohen Hitzegraden und eine trotzdem ausreichende mechanische Festigkeit.
Diese Zielsetzung wird nach der Erfindung dadurch erreicht, daß die Zwischenschicht
ebenfalls in Längsrichtung ungeteilt ist und aus keramischem Zement besteht.
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Es sind Düsen für heiße Gase bekannt, die aus einer feuerfesten Auskleidung
und einer äußeren metallischen Haltedüse bestehen. Die feuerfesten Auskleidungen
dieser bekannten Düsen bestehen jedoch aus anderen Materialien, z. B. Graphit, jedoch
nicht aus Siliziul-nnitrid. Bei den bekannten Düsen können daher auch nicht die
hohen Hitzegrade angewendet werden, die mit der Erfindung ohne Schaden möglich sind.
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Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist die feuerfeste
Auskleidung am Austrittsende des Tragmantels doppelkegelförmig verdickt, wobei sie
so die an sich bekannte Austrittsöffnung bildet.
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Die Zeichnung veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel eines gemäß
der Erfindung ausgebildeten Raketen-ZD antriebs.
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Fig. 1 ist ein diametraler Längsschnitt und Fig. 2 ein Querschnitt
nach der Linie 2-2 der Fig. 1.
Gemäß der Erfindung bestehen die Verbrennungskammern
und Düsen von Raketen- und Strahlantrieben od. dgl., die zur Steuerung und gerichteten
Freigabe von heißen, mit großer Geschwindigkeit austretenden Gasen geeignet sind,
aus einer starken, metallischen Haltehülse, z. B. aus Stahl, die mit einer keramischen
Auskleidung versehen ist, welche unter den Betriebsbedingungen, denen diese Vorrichtungen
unterworfen sind, gegen Zubruchgehen äußerst widerstandsfähig ist, Die in den erfindungsgemäßen
Vorrichtungen verwendeten keramischen Auskleidungen sind an Siliziumnitrid gebundene
Körper, die erhalten werden durch Bildung einer Auskleidung der gewünschten Form
aus feinverteiltem, metallischem Silizium mit oder ohne Einschluß eines harten,
körnigen, feuerfesten Materials, wie z. B. Siliziumkarbids, oder eines harten, körnigen,
feuerfesten, oxydischen Materials sowie durch Brennen des geformten Körpers in einer
Stickstc>ffatmosphäre oder in einer anderen nichtoxydierenden, stickstoffhaltigen
Atmosphäre bei einer Temperatur, die zur Umwandlung des Siliziums in Siliziumnitrid
hinreicht. Der erhaltene keramische Körper, zu dessen Herstellung nur metallisches
Silizium verwendet wird, ist im wesentlichen ein in sich selbst an Siliziumnitrid
gebundener Körper, bei dem das Siliziumnitrid sowohl den feuerfesten Bestandteil
als auch die Bindung bildet. Wenn der Mischung körniges, feuerfestes Material, wie
z. B. Siliziumkarbid, oder ein feuerfestes Oxyd oder Oxyde zugesetzt werden, wird
bei dem sich ergebenden Körper das körnige, feuerfeste Material während des Brennens
des Körpers durch das Siliziumnitrid gebunden. In jedem Fall ist daher der sich
ergebende keramische Körper eine durch Siliziul-nnitrid gebundene Verbindung. Der
als Auskleidung für die erfindungsgemäßen Vorrichtungen verwendete keramische Körper
wird in der Haltehülse angeordnet. Er erhält eine dieser Hülse entsprechende Form
und wird gewöhnlich durch eine Zwischenschicht aus feuerfestem Zement festgehalten,
die vorzugsweise isolierend wirkt. Ein für diesen Zweck geeigneter Zement hat folgende
Zusammensetzung: 55 Gewichtsprozent elektrisch geschmolzenes Aluminiumoxyd
(40 bis 70 Maschen), 15 Gewichtsprozent nicht elektrisch geschmolzenes
Aluminiumoxydpulver, 6 Gewichtsprozent Kaolin, 24 Gewichtsprozent Natriumsilikat,
Klasse 0.
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Die Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß
ausgebildeten Raketenantriebs, der aus einer Haltehülse 3 aus Stahl und einer
nitrid-Z, erebundenen, keramischen Auskleidung 4 besteht, die in der Haltehülse
angeordnet ist und durch eine Zwischenschicht 5 aus feuerfestem, isolierendem
Zement
festgehalten ist. Außerdem verhindert der nach innen gebogene Endtei16 der Stahlhülse3
eine Verschiebung der keramischen Ausldeidung4. Die Stahlhülse i st mit einem Befesti,-ungsflansch7
versehen, der Bohrungen8 zur Aufnahme von Bolzen aufweist, die zur Befestigung an
der Brennstoffeinspritzdüse dienen. Die keramische Auskleidung ist mit einer Einschnürung
9 versehen, durch welche die heißen Verbrennungsgase mit großer Geschwindigkeit
austreten. Die keramische Auskleidung besteht aus irgendeiner der verschiedenen
Verbindungen einschließlich jener gemäß den nachstehenden Ausführungsbeispielen,
die entsprechend den Lehren der Erfindung hergestellt werden und deren wesentliches
Kennzeichen darin besteht, daß die Auskleidung ein durch Siliziumnitrid gebundenes
Material ist. Dieses Material kann Siliziumnitrid allein oder mit einem anderen
hinzugefügten feuerfesten Stoff sein.
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Zum besseren Verständnis der Erfindung werden die folgenden Ausführungsbeispiele
angeführt, welche die an Siliziumnitrid gebundenen Verbindungen angeben, die in
den erfindungsgemäßen Vorrichtungen als Auskleidungsmaterial verwendbar sind. Beispiel
1
Eine aus gebundenem Siliziumnitrid bestehende keramische Auskleidung für
eine Raketenantriebsdüse gemäß den Fig. 1 und 2 wird auf folgende Weise hergestellt:
Handelsübliches metallisches Silizium (200 Maschen und feiner) wird mit 11/2% Dextrin
als vorläufiges Bindemittel gemischt und mit Wasser befeuchtet, um die Mischung
dickflüssig zu machen. Die Mischung Z>
wird dann mittels eines Stampf-tverkzeugs
von Hand in eine Form eingestampft. Der Stampfvorgang wird in üblicher Weise ausgeführt,
bis die Form fortschreitend von einem Ende bis zum anderen mit I Material gefüllt
ist.
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Das Silizium enthält folgende, durch Analyse festgestellte Verunreinigungen-.
| Eisen .................. 0,87% |
| Chrom ................. 0,21% |
| Aluminium ....... 0,600/0 |
| Kalzium ............... 0,541/o |
Der geformte Gegenstand wird getrocknet und in einen Muffelofen eingebracht. Die
normale Atmosphäre in dem Muffelofen -wird, durch einen ununterbrochenen Strom trockenen
handelsüblichen, 99,7ß/oigen reinen Stickstoffs ersetzt, worauf die Temperaxtur
in der Ofenkammer während eines Zeitraumes von mehreren S' ,inden allmählich auf
1400',C erhöht und während
7 Stunden auf dieser Temperatur gehalten wird,
wobei während der ganzen Zeit ein ununterbrochener Stickstoffstrom in den Muffelofen
eingeführt wird. Während man die Stickstoitatmosphäre in der Muffel aufrechterhält,
wird der Ofen abgekühlt und der im wesentlichen vollständig aus Siliziumnitrid bestehende
fertige Ge 'gerstpnd zwecks Einbringung in die Metallhaltehülse herausgenommen.
Der erhaltene Gegenstand, der von dunkelcrrauer Farbe, dicht und mechanisch fest
ist, gle,.cb- #_inem keramischen Körper, der durch Sintern der erhalfen ##ird. Bei
der Härteprüfung hat ein Körper der obigen Zusammensetzung gewöhnlich eine Härle
von etwa
30 Rockwell, Skala Bl.
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Beispiel 11
Eine für die Vorrichtung, gemäß den Fig.
1 und 2 ti-skleidung, die aus an Siliziumnitrid gebundenem Silizitimkarbid
besteht, -,vird aus einer Verbindung folgender Zusammensetzung hergestellt: 48 Gewichtsprozent
Siliziumkarbidkörner (14 bis 36 Maschen), 36 Gewichtsprozent Siliziumkarbidkörner
(80 Maschen und feiner), 16 Gewichtsprozent Siliziumpulver (200 Maschen
und feiner), 5 Gewichtsprozent trockenes Lignin (getrockneter Rückstand aus
konzentrierter Sulfitzellstoffablauge--), 6 Gewichtsprozent Bentonitgel.
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Die obigen Bestandteile werden mit Ausnahme des Bentonitgels während
15 Minuten in einem Trommelmischer trocken gemischt, um eine gute Vermengung
zu erzielen, worauf sie während 20 Minuten in einern Knetmischer naß gemischt werden.
Der Mischung wird die für das Pressen erforderliche Konsistenz durch das Bentonitgel
verliehen, das aus -1 Teilen Wasser auf 1 Teil trockenen Bentonitpulvers
besteht. Das Bentonitgel dient zur Aufnahme des feingernahlenen Siliziumpulvers,
das sehr locker und äußerst schwierig zu behandeln ist. Es wird dadurch gleichmäßig
in der ganzen Mischung verteilt, und man erhält eine gut gemischte Masse mit für
das Formen geeigneter Konsistenz.
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Der Formteil wird durch Pressen in einer hydraulischen Presse mit
einem Druck von mehr als 350 kg/cm2 hergestellt. Der getrocknete Gegenstand
wird dann in einen Muffelofen eingebracht und die normale Atmosphäre in der Muffel
durch einen ununterbrochenen Strom trockenen, handelsüblichen, 99,7%igen reinen
Stickstoffs ersetzt, worauf die Temperatur der Ofenkammer während eines Zeitraums
von mehreren Stunden allmählich auf 14-00' C erhöht und während 12 Stunden
auf dieser Temperatur gehalten wird, wobei ein ununterbrochener Stickstoffstrom
in den Muffelofen eingeführt wird. Bei aufrechterhaltener Stickstoffströmung wird
der Ofen auf Zimmertemperatur oder auf eine für die Handhabung des gebrannten Gegenstandes
geeignete Temperatur abgekühlt, worauf der zum Einsetzen in die Haltehülse fertige
Gegenstand aus dem Ofen herausgenommen wird. Beispiel III Verschiedene Formteile,
die sich zur Auskleidung von Raketen- und Strahlantrieben od. dgl. eignen, welche
heißen, mit hoher Geschwindigkeit austretenden Gasen ausgesetzt sind, werden gemäß
der Erfindung auf folgende Weise hergestellt: 50 Gewichtsteile Siliziumkar-bidkörner
(220 Maschen), 50 Gewichtsteile pulverisiertes, metallisches Silizium, 2
Gewichtsteile Bentonit.
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Das pulverisierte, metallische Silizium wird durch Mahlen handelsüblichen
Siliziums von 200 Maschen .und feiner erhalten, bis der größere Teil Üer Siliziumteilchen
eine Teilchengröße -von
0 bis 20 g aufweist. Eine Analyse der Teilchengröße
des entsprechend
ge-
mahlenen Siliziumpulvers ergibt folgendes:
| ObislOR 52% |
| 10bis201i ......... 1811/o |
| 20 bis 30 g ............... 12-% |
| 30 bis 40 #L ............... 1011/o |
| 40 bis 90 [t ............... 80/0 |
Narh --rundlicher Mischung der genannten Bestandteile wird genügend Wasser zugesetzt,
um der Mischung die für die Fozmung erforderliche schlüpfrige Konsistenz zu verleihen.
Die erhaltene Musse wird in üblicher Weise in eine Gipsfürin gegessen, um eine Auskleidung
der gewünschten Gestalt zu formen. Der geformte Gegenstand ivird.a-ns der Form herausgenommen
und
getrocknet, worauf er in einen Muffelofen eingebracht wird, dessen normale Atmosphäre
durch trockenes Stickstoffgas ersetzt worden ist. Die Temperatur der Ofenkammer
wird während eines Zeitraumes von mehreren Stunden allmählich auf 14001
C erhöht und während
7 Stunden auf dieser Temperatur gehalten, wobei
in dem Muffelofen eine ständige Stickstoffströmung aufrechterhalten wird. Unter
Aufrechterhaltung der Stickstoffatmosphäre wird der Ofen abgekühlt, worauf der gebrauchsfertige
Gegenstand aus dem Ofen herausgenommen wird. Beispiel IV Verschiedene Formteile,
die sich zur Auskleidung von Raketen- und Strahlantrieben od. dgl. eignen, welche
heißen, mit hoher Geschwindigkeit austretenden Gasen ausgesetzt sind, werden gemäß
der Erfindung auf folgende Weise hergestellt:
50 Gewichtsteile geschmolzenes
Aluminiumoxyd
(150 Maschen und feiner),
50 Gewichtsteile handelsübliches,
metallisches Silizium (200 Maschen und feiner),
1 Gewichtsteil Dextrin.
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Die obigen Bestandteile werden gründlich gemischt und mit Wasser befeuchtet,
um eine Mischung zu erhalten, welche die für die Formung erforderliche Konsistenz
aufweist. Auskleidungen der gewünschten Größe und Gestalt werden dann durch Anordnung
des befeuchteten Materials in einer Stahlform und durch Pressen mit einem Druck
von 105 kg/cm2 erhalten. Die erhaltenen geformten Gegenstände werden
ge-
trocknet und in einen Muffelofen eingebracht. Die normale Atmosphäre in
der Muffel wird durch eine nichtoxydierende Stickstoffatmosphäre ersetzt, und die
Gegenstände werden in einem ununterbrochenen Stickstoffstrom während mehrerer Stunden
bei einer Ternperatur von 1300 bis 1400' C gebrannt. Bei aufrechterhaltener
Stickstoffströmung wird der Ofen dann abgekühlt. Die abgekühlten Gegenstände werden
aus der Muffel herausgenommen und sind zur Anordnung in Metallhaltehülsen oder zu
anderweitiger Verwendung bereit.
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Obwohl in den obigen Beispielen trockener, 99,7%iger reiner Stickstoff
verwendet worden ist, können ähnliche Ergebnisse durch Verwendung anderer nichtoxydierender,
stickstoffhaltiger Atmosphären erzielt werden; beispielsweise kann man statt Stickstoff
handelsüblichen Wasserstoff verwenden, der aus 93 1/o Stickstoff und 7% Wasserstoff
oder Ammoniakgas besteht.
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Während die Verwendung metallischen Siliziums in feinverteilter Form
als Ursprung des Siliziums beschrieben worden ist, das durch den Brennvorgang in
Siliziumnitrid umgewandelt wird, um sich selbst oder das zugefügte feuerfeste Material
der Auskleidungen der gemäß der Erfindung hergestellten Vorrichtungen zu binden,
können als Ursprung des Siliziums für die Bildung der Siliziumnitridbindung auch
bestimmte Siliziumlegierungen, wie z. B. Ferro-Silizium-Legierungen oder Ferro-Mangan-Silizium-Legierungen,
in ähnlich feinverteilter Form verwendet werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu
verlassen.