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Brennkammer für Feststoffraketen Die Erfindung betrifft eine Brennkammer
für Feststoffraketen, deren Mantel aus einem harzgebundenen Fasermaterial mit in
Umfangs- und Längsrichtung verlaufenden Fasem besteht und welcher einen Boden und
ein Kopfstück aus beispielsweise metallischem Werkstoff besitzt.
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Es sind bereits flaschenförmige Behälter zur Aufnahme von unter Druck
stehenden Gasen bekannt, bei welchen in Längsrichtung verlaufende Drahtverstärkungselemente
der Behälterwand mit dem Boden und Kopfstück des Behälters mittels eines inneren
und äußeren, im wesentlichen ringförmigen, die Elemente festklemmenden Teiles formschlüssig
verbunden sind. Aus der Art der Klemmung ergibt sich bei diesen Behältern jedoch
eine verhältnismäßig kleine Einlaßöffnung, welche ihre Verwendung als Brennkammer,
bei welcher der annähernd Behälterdurchmesser besitzende Feststofftreibsatz nachträglich
eingebaut und leicht zugänglich sein soll, ausschließt. Außer den vorgenannten Nachteilen
steht dem Einsatz eines solchen Behälters als Brennkammer noch der weitere Nachteil
eines hohen Gewichts entgegen, das durch die Verwendung von Drahtverstärkungselementen
unvermeidlich ist.
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Ebensowenig verwendbar sind auch Behälter aus einem harzgebundenen,
gewichtsmäßig leichten Fasermaterial, bei denen Kopfstück und Boden mit der Behälterwand
verschraubt sind. Bei diesen Behältern. sind das Kopfstück und der Boden flanschartig
ausgebildet und die Faserenden der Behälterwand derart nach innen gezogen, daß sie
den im wesentlichen zylindrischen Teil des Kopfstückes oder des Bodens umschließen
und an dem im Behälterinnenraum liegenden Flansch festklemmbar sind. Die Festklemmung
der Faserenden am Flansch erfolgt hierbei entweder durch eine auf den zylinderförmigen
Teil aufschraubbare Manschette oder durch einen Gegenflansch, der mit dem Flansch
des Kopfstückes oder des Bodens durch Schrauben verbunden ist. In dieser Weise ausgebildete
Behälter besitzen indessen hinsichtlich der Größe der Einlaßöffnung die gleichen
Nachteile wie die bereits beschriebenen Behälter.
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Es sind ferner Behälter aus harzgebundenem Fasermaterial bekannt,
bei denen die Verbindung des Bodens bzw. des Kopfstückes mit dem Behältermantel
durch Kleben erfolgt. Hierdurch läßt sich zwar eine für die Verwendung als Raketenbrennkammer
ausreichend große Behälteröffnung schaffen, jedoch besitzt eine solche Klebverbindung
den Nachteil einer großen Streuung der Festigkeitswerte. Da in den meisten Fällen
die Kleblänge maximal begrenzt ist, ist es außerdem auch bei solchen Verbindungen
schwierig, eine der Axialfaserfestigkeit des Behältermantels entsprechende Scherfestigkeit
der Klebverbindung zu erreichen.
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Um diese Nachteile zu vermeiden, ist deshalb vorgeschlagen worden,
die miteinander verklebten Teile mittels einer um den Behältermantel gelegten, der
Kleblänge entsprechenden Manschette zusätzlich noch zu verschrauben. In bezug auf
die Dichtigkeit der Verbindungsstellen zwischen Kopfstück bzw. Boden und Behältermantel
lassen jedoch auch die vorstehend erwähnten Klebverbindungen bezüglich ihrer Festikeit
dann zu wünschen übrig, wenn, wie bei Raketenbrennkammern, im Innern des Behälters
außer einem hohen Druck auch Temperaturen von weit über 100'C herrschen,
da die Klebekraft von herkömmlichen Kunststoffklebern bei solchen Temperaturen und
Drücken erheblich nachläßt.
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Zur Vermeidung eines Undichtwerdens ist es in solchen Fällen deshalb
notwendig, den Behälterinnenraum mit zusätzlichen Isolationsschichten zu versehen,
welche die Klebstellen vor einer Auflösung infolge Wärmeeinfluß schützen. Eine solche
Maßnahme stellt jedoch insgesamt einen hohen baulichen Aufwand dar, der bei einer
Verwendung des Behälters als Raketenbrennkammer auf Grund der bei Flugkörpern geforderten
Leichtbauweise unvereinbar ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennkammer der eingangs genannten
Art so auszubilden, daß diese sowohl hohen und wechselnden Drücken als auch hohen
Temperaturen standzuhalten vermag und außerdem eine größtmögliche Einlaßöffnung
besitzt.
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Eine Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch erzielt,
daß die Enden der in Längsrichtung verlaufenden Fasem mit dem Brennkammerboden bzw.
dem Kopfstück mittels eines am Innenumfang
des Brennkammermantels
angeordneten, im wesentlichen ringförmigen Teils und einer Klemmvorrichtung formschlüssig
verbunden sind.
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Eine in dieser Weise ausgebildete Brennkammer zeichnet sich außer
durch eine hohe Druck- und Zugfestigkeit auch durch einen geringen technischen Aufwand
an Bauteilen und daher durch ein geringes Gewicht aus, wobei zu diesen Vorteilen
noch der weitere, für die Verwendung der Brennkammer bei Flugkörpern wichtige Vorzug
der Einhaltbarkeit kleiner Baumaße und der leichten Zugänglichkeit des Brennkammerinnenraumes
für einen Ein- oder Ausbau des Feststofftreibsatzes durch Ausbildung einer großen
Einlaß- und eventuellen Auslaßöffnung kommt.
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Dadurch, daß das ringförnüge Teil im Innenraum der Brennkammer angeordnet
ist, läßt sich die Brennkammerwand an ihrem Außenumfang frei von hervorstehenden
Teilen, wie z. B. Schrauben, Manschetten od. dgl. ausbilden. Die damit erreichte
glatte Außenwand ist besonders dann günstig, wenn der Brennkammermantel gleichzeitig
einen Teil des Flugkörpermantels darstellt, bei dem im Luftstrom liegende und die
Flugeigenschaften des Flugkörpers ungünstig beeinflussende Teile vermieden werden
sollen.
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Eine besonders einfache und gleichzeitig drucksichere Verbindung des
Kopfstückes bzw. des Bodens mit dem ringförmigen Teil läßt sich dadurch erzielen,
daß diese Teile in axialer Richtung miteinander verschraubt sind. Hierdurch lassen
sich in radialer Richtung der Brennkammer geringe Baumaße einhalten, und außerdem
wird vermieden, daß Befestigungsteile über den Umfang der Brennkammer hinausragen.
Darüber hinaus stellt die Axialverschraubung hinsichtlich der Aufnahme der Längskräfte
eine sichere Maßnahme zur Festklemmung der Enden der Axialfasern zwischen dem Boden
bzw. dem Kopfstück und dem ringförinigen Teil dar.
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Um zu vermeiden, daß die in der Brennkammer entwickelten Verbrennungsgase
zwischen den möglicherweise unregelmäßig dicken Enden der festgeklemmten Fasern
und dem Boden bzw. Kopfstück entweichen können, kann gemäß einem weiteren Merkmal
der Erfindung zwischen dem Kopfstück bzw. Boden und dem ringförmigen Teil bzw. den
um das ringförinige Teil gelegten Faserenden eine Dichtung angeordnet sein.
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In den Figuren und der Beschreibung sind zwei Ausführungsbeispiele
einer Brennkammer dargestellt und beschrieben. Hieran sind die vorgenannten und
weitere, sich aus der Erfindung ergebende Vorteile näher erläutert. Alle nicht unmittelbar
zum Erfindungsgegenstand gehörenden Teile einer Brennkammer sind aus Gründen der
übersichtlichkeit weggelassen worden. Es zeigt Fig. 1 in teilweisem Längsschnitt
eine gemäß der Erfindung ausgebildete Brennkammer für Feststoff-Raketentriebwerke;
Fig. 2 in gleicher Darstellung wie Fig. 1 ein von dieser Figur verschiedenes
Ausführungsbeispiel einer Brennkammer.
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In Fig. 1 ist mit 1 der Mantel einer Brennkammer eines
Feststoff-Ral,-etentriebwerks bezeichnet, der im Ausführungsbeispiel aus einem harzgebundenen
Fasermaterial gebildet ist und eine äußere Wicklung 2 mit in Umfangsrichtung verlaufenden
Fasern, eine mittlere 3 mit in Uängsrichtung verlaufenden Fasern und eine
innen liegende dritte Wicklung 4 mit ebenfalls in Umfangsrichtung verlaufenden Fasern
umfaßt. Als Fasern sind im Ausführungsbeispiel Glasfasern vorgesehen, die eine hohe
Arbeitsaufnahme aufweisen.
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Wie aus der Figur weiterhin ersichtlich, besi-tzt die Brennkammer
einen Boden 5 mit einer Öffnung 5a zur Aufnahme eines nicht näher gezeigten Zünders
sowie ein Kopfstück 6, in welches eine Düse 7 eingeschraubt ist. Der
Boden 5 und das Kopfstück 6 sind aus metallischem Werkstoff gefertigt.
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Gemäß der Erfindung sind die Enden 3 a bzw. 3
b
der in Längsrichtung verlaufenden Fasern 3 mit dem Brennkammerboden
5 bzw. dem Kopfstück 6 mittels eines am Innenumfang des Brennkammermantels
angeordneten, im wesentlichen ringförnügen Teils 8
bzw. 9 und einer
Klenimvorrichtung formschlüssig verbunden. Hierdurch werden die eingangs genannten
Vorteile erzielt.
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Wie die Figur zeigt, sind an der einen Stirnseite des ringförmigen
Teils 8 eine Anzahl sich über den Umfang in gleichem Abstand verteilende
Gewindezapfen 10 ausgebildet, die durch in gleichem Abstand am Kopfstück6
angeordnete Bohrungen6a hindurchragen. Die formschlüssige Verbindung zwischen dem
Kopfstück 6 und dem ringförmigen Teil und damit das Festklemmen der Faserenden
3 a wird mittels auf die Gewindezapfen 10 aufgesehraubter Muttern
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vorgenommen, die sich bei ihrer Anlage am Kopfstück 6 abstützen
und hierbei das ringförmige Teil 8
mit den Faserenden 3 a gegen eine
nicht näher gezeigte Fläche des Kopfstückes 6 anziehen.
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Wie aus der Figur weiterhin hervorgeht, liegen die in axialer Richtung
verlaufenden Schrauben 10 und das ringförrnige Teil 8 innerhalb der
mit 12 bezeichneten Wandung des Flugkörpers. Durch die innenliegende Anordnung dieser
Teile ist somit eine Störung der Flugeigenschaften des Flugkörpers ausgeschlossen.
Außerdem lassen sich durch diese Art der Verbindung des Kopfstückes 6 mit
dem ringförmigen Teil 8 in radialer Richtung geringe Baumaße einhalten. Die
beschriebene Verbindung der Teile 6 und 8
bietet darüber hinaus auch
den Vorteil einer leichten Demontierbarkeit der Brennkammer und weiterhin den Vorzug,
daß sich bei abgenommenen Kopfstück 6
der Feststoffraketentreibsatz ohne Schwierigkeiten
in die Brennkammer einführen läßt, wobei der Treibsatz durch die erfindungsgemäße
Ausbildung der Brennkammer einen Durchmesser besitzen kann, der annähernd dem Innendurchmesser
der Brennkammer entspricht.
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Die Verbindung des eine kappenähnliche Gestalt besitzenden ringförmigen
Teils 9 mit dem Boden 5
der Brennkammer erfolgt in ähnlicher Weise
wie die Verbindung des Kopfstückes 6 mit dem ringförmigen Teil
8. Die Faserenden 3 b der in axialer Richtung verlaufenden
Fasern 3 liegen hierbei außen über dem ringförmigen Teil 9 und sind
durch eine in diesem gebildete, nicht näher bezeichnete öffnung nach innen hindurchgeführt.
Im Boden der Brennkammer sind eine Anzahl von kreisförmig angeordneten Bohrungen
zur Aufnahme von Schrauben 13 ausgebildet, die mit im ringförinigen Teil
9 befindlichen Bohrungen fluchten. Beim Anziehen der durch diese Bohrungen
hindurchgeführten Schrauben 13 wird das ringförmige Teil gegen den Boden
gezogen und hierbei die zwischen den beiden Teilen liegenden Faserenden
3 b
festgeklemmt. Damit ist ebenso wie im Fall der Verbindung des Kopfstückes
6 mit dem ringförmigen Teil 8 eine Verbindung geschaffen, die in einfacher
und
Aufwand sparender Weise eine sichere übertragung der auf die Raketenbrennkammer
bei einem Abbrand des Treibsatzes entstehenden Längskräfte, auf Boden und Kopfstück
gewährleistet.
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Um zu vermeiden, daß bei dem im Innern der Brennkammer herrschenden
hohen Druck die durch die Düse 7 entweichenden Gase auch zwischen den Faserenden
3 a am ringförmigen Teil 8 und dem Kopfstück 6 bzw. den Faserenden
3 b am ringförmigen Teil 9 und dem Boden 5 hindurchtreten können,
sind gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung Dichtungen 15 und 14 vorgesehen,
von denen die zuletzt genannte in einer Ringnut im Kopfstück 6 liegt und
eine Abdichtung zwischen diesem und den Faserenden 3 a am ringförmigen Teil
8 bewirkt, während die Dichtung 15 zwischen dem Boden 5 und
den Faserenden 3 b am ringförmigen Teil 9 liegt.
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Da bei einem Abbrand des nicht näher gezeigten Treibsatzes die innen
liegenden, tangential verlaufenden Faserschichten von den hohen Temperaturen der
Verbrennungsgase leicht angegriffen werden können, ist an der Innenseite der Brennkammerwand
eine Isolationsschicht 16 vorgesehen, deren Zusammensetzung von an sich bekannter
Art sein kann. Da die Zusammensetzung der Isolationsschicht nicht zum Gegenstand
der Erfindung gehört, erübrigt sich ein näheres Eingehen hierauf.
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In Fio,. 2 ist eine von Fi-. 1 verschiedene Brennkammer eines
Raketentriebwerks gezeigL Die in dieser Figur vorkommenden Teile sind, soweit sie
bereits in Fig. 1 gezeigt sind, mit den gleichen Bezugszeichen wie dort belegt.
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Die Brennkammer in Fig. 2 besitzt einen äußeren Kunststoffmantel
17, der gleichzeitig einen Teil des Flugkörperaußenmantels bildet. Unterhalb
des Kunststoffmantels 17 und mit diesem beispielsweise durch Klebung verbunden,
sind die in Längsrichtung verlaufenden, ebenfalls in Kunststoff eingebetteten Fasern
3 zur Aufnahme der Längskräfte angeordnet. Die Brenikammer besitzt weite,-hin
eine in Umfanasrichtung verlaufende kunststoffgebundene Faserschicht 4 und eine
lsolationsschicht 16, die die Brennkammerwand vor dem zerstörenden Einfluß
der Verbrennungstemperaturen schützt. Wie im Ausführungsbeispiel gemäß Fig.
1 sind auch bei der in Fig, 2 gezeigten Brennkammer die Faserenden
3 a der 2..xial verlaufenden Fasern 3 um ein mit
18 bezeichnetes ringförmiges Teil geschlungen, welches seinerseits mit dem
Kopfstück 6 formschlüssig verbunden ist. Im Gegensatz zu Fig. 1 handelt
es sich jedoch bei dem Teil 18 um einen breiten, manschettenartigen
Ring
mit einem größeren Querschnitt als der Ring 8 des ersten Ausführungsbeispiels.
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An der in der Figur rechten Stirnseite des ringförmigen Teils
18 ist eine konische Eindrehung 18b vorgesehen, in die die Faserenden
3 a hineingeleggt sind. Die Festklemmung der Faserenden in der konischen
Eindrehung wird mittels eines konischen Klemmrin-"es cr 19 vorgenommen, der an seinem
Innenumfang auf einem zylindrischen Ansatz 18 a des Ringes 18 in radialer
Richtung geführt ist und mittels einer Mutter 20 in der konischen Eindrehung des
Ringes 18 festklemmbar ist. Damit ist eine sichere formschlüssige Verbindung
zwischen dem Teil 18 und den die Längskräfte übertragenden Fasern
3 der Brennkammerwand hergestellt.
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Zur Verbindung des Kopfstückes 6 mit dem Teil 18
ist
am Innenumfang des zylindrischen Ansatzes 18 a
ein nicht näher bezeichnetes
Gewinde ausgebildet, in welches eine Mutter 21 einschraubbar ist, die auf einen
Flansch 6 b am Kopfstück 6 einwirkt, dessen eine Fläche sich an einer
entsprechenden Gegenfläche des Ringes 18 abstützt, sobald die Mutter 21 am
Flansch zur Anlage kommt.
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Um ein Hindurchtreten der Verbrennungsgase zwischen den Teilen
18 und 6 zu verhindern, ist in einer ringförmigen Nut des Kopfstückes
6 eine Dichtung angeordnet, die ebenso wie in Fig. 1 mit 14 bezeichnet
ist.
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Die Ausbildung des Bodens 5 und seine Verbindung mit dem ringförmigen
Teil 9 entspricht dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel. Es
erübrigt sich deshalb, hierauf nochmals einzugehen.