DE1203646B

DE1203646B - Layered, fiber-reinforced plastic wall for missiles, rocket drives, etc. like

Info

Publication number: DE1203646B
Application number: DEST20114A
Authority: DE
Inventors: Elmer Pershing Warnken
Original assignee: Studebaker Corp
Current assignee: Studebaker Corp
Priority date: 1962-12-21
Filing date: 1962-12-21
Publication date: 1965-10-21

Description

Geschichtete, faserverstärkte Kunststoffwandung für Flugkörper, Raketenantriebe u. dgl. Die Erfindung betrifft harzgetränkte, geschichtete oder lamellierte Gegenstände, insbesondere geschichtete, faserverstärkte Wandungen für Gegenstände zur Benutzung an solchen Stellen, wo hohe Strömungsgeschwindigkeiten auftreten.Layered, fiber-reinforced plastic wall for missiles, rocket engines and the like. The invention relates to resin-impregnated, layered or laminated articles, in particular layered, fiber-reinforced walls for objects for use in those places where high flow velocities occur.

Bei Körpern mit Wandungen, die sehr hohen Strömungsgeschwindigkeiten unterworfen sein können, wie beispielsweise bei Oberflächen von wieder in die Atmosphäre eintretenden Körpern für ballistische Geschosse oder Flugkörper, welche in Höhen über die normale Atmosphäre hinaus vorgetrieben werden können und zur Erde zurückkehren müssen, verursacht der sehr schnelle Durchtritt durch die Atmosphläre außerordentlich hohe Belastungen in der Wandoberfläche und erzeugt eine große Hitze an der Wandungsoberfläche. In gleicher Weise entwickeln sich in der Auslaßdüse von Raketenantrieben oder chemischen Kraftstoffmotoren ungewöhnlich starke Kräfte, Beanspruchungen und Temperaturen an den Wandungsoberflächen. Die üblichen Schichtungen oder Lamellierungen, welche parallel zur Strömungsrichtung ausgelegt werden, sind bei Wandungen solcher Körper ungenügend, da diese Schichtungen dazu neigen, sich unter dem Einfluß von sehr schnell strömenden Medien zu trennen. NVerin andererseits Schichtungen der Wand solch eines Körpers senkrecht zur Strömungsrichtung gelegt werden, besteht eine Neigung zur Entwicklung von Rissen zwischen den Schichten, und die Schichten bilden verhältnismäßig kurze Wege durch die Wandungen des Körpers, entlang welchen die Risse oder Ritzen in das Innere der Wandung eintreten können und entlang welchen Hitze schnell in das Innere des Körpers geführt werden kann.For bodies with walls, the very high flow velocities may be subject to, such as with surfaces from back into the atmosphere entering bodies for ballistic projectiles or missiles, which at heights can be propelled beyond the normal atmosphere and return to Earth the very rapid passage through the atmosphere causes extraordinarily high loads in the wall surface and generates a great deal of heat on the wall surface. Similarly, develop in the outlet nozzle of rocket engines or chemical Fuel engines apply unusually strong forces, stresses and temperatures the wall surfaces. The usual layers or lamellations, which are parallel are designed for the direction of flow, are insufficient for walls of such bodies, as these stratifications tend to move under the influence of very fast flowing Separate media. In the other hand, layers of the wall of such a body are placed perpendicular to the direction of flow, there is a tendency to develop of cracks between the layers, and the layers form relatively short ones Paths through the walls of the body along which the cracks or fissures in the Inside the wall can enter and along which heat can quickly enter the interior of the body can be guided.

Es sind bereits geschichtete, faserverstärkte Kunststoffanordnungen der eingangs bezeichneten Art bekanntgeworden, bei denen die übereinandergelegten Kunststoffschichten etwa der Gestalt des Grundkörpers folgen. Ferner sind bereits geschichtete, faserverstärkte Kunststoffanordnungen bekannt, bei denen sich die einzelnen Schichten schindelförmig überlappen, wobei die Endkante der einzelnen Schichten frei im Gasstrom liegen und die Schichtflächen abweichend von derNormalen zum Gasstrom in Strömunasrichtung geneigt sind.They are already layered, fiber-reinforced plastic arrangements of the type mentioned became known, in which the superimposed Plastic layers roughly follow the shape of the base body. Furthermore are already layered, fiber-reinforced plastic assemblies known in which the individual layers overlap in a shingled manner, with the end edge of each Layers lie freely in the gas flow and the layer surfaces deviate from the normal are inclined to the gas flow in the direction of flow.

Ausgehend von der Aufgabe, Rißbildungen zu vermeiden und eine zweckmäßige Fertigung zu ermöglichen, wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, die Schichten aus einem kontinuierlichen, aus hitzebeständigem Fasermaterial bestehenden Gewebestreifen konstanter Breite auszubilden, die in einander überlappenden Windungen die zylinderförmige konisehe oder tubusförmige Kunststoffwand darstellen, wobei die einzelnen Schichten in bekannter Weise durch Tränkung mit einem hitzehärtbaren Harz verbunden sind.Starting with the task of avoiding cracks and a practical one To enable production, it is proposed according to the invention, the layers made of a continuous strip of fabric made of heat-resistant fiber material to form constant width, the overlapping turns the cylindrical represent conical or tubular plastic wall, with the individual layers are connected in a known manner by impregnation with a thermosetting resin.

Nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erflndung sind die Schichten gegen die entsprechende Wandungsfläche in einem Winkel von etwa 20 bis 210 geneigt. Die Gewebestreifen selbst können teilweise aus einem anorganischen Material, insbesondere aus Glasfasern, bestehen.According to a preferred embodiment of the invention are Layers against the corresponding wall surface at an angle of about 20 to 210 inclined. The fabric strips themselves can partly consist of an inorganic Material, in particular made of glass fibers.

Mit der erfindungsgemäßen streifenförmigen Ausbildung läßt sich eine ringförmige Wandung erzielen, die gegenüber einem strömenden Medium hoher Geschwindigkeit sehr widerstandsfähig gegen Abrieb bzw. Abbrennen ist, wobei dieses Medium sich in einer beliebigen Richtung zwischen 0 und 90c1 gegenüber der Wandung des Körpers bewegen kann, wie dies bei Seitenwandungen einer Raketenspitze oder einer Austrittsdüse der Fall ist. Die Schichten sind dabei so angeordnet, daß eine Wärmeübertragung wegen des verhältnismäßig langen Wärmeübertragungsweges längs der Schichten auf ein Minimum herabgesetzt wird. Die überlappung der Schichten erfolgt in der Weise, daß das schnell strömende Medium, welches an ihnen entlangstreicht, diese Schichten flach gegeneinanderdrückt, so daß insgesamt beim Gegenstand der Erfindung besonders günstige Ergebnisse erzielt werden können.With the strip-shaped design according to the invention, an annular wall can be achieved which is very resistant to abrasion or burning off against a flowing medium at high speed, this medium being able to move in any direction between 0 and 90c1 with respect to the wall of the body, like this is the case with side walls of a rocket tip or an outlet nozzle. The layers are arranged in such a way that heat transfer is reduced to a minimum because of the relatively long heat transfer path along the layers. The layers are overlapped in such a way that the rapidly flowing medium which brushes along them presses these layers flat against one another, so that overall particularly favorable results can be achieved with the subject matter of the invention.

In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise dargestellt. Es zeigt F i g. 1 in Aufsicht einen Abschnitt eines aus harzgetränktem Material bestehenden Streifen gemäß der Erfindung, aus welchem die Spitze eines ballistischen Flugkörpers oder eines ballistischen Geschosses hergestellt ist, F i g. 2 einen Kern oder Dorn im Längsschnitt, auf welchem der Körper mit einhüllenden, sich überlappenden Schichten geformt ist, F i g. 3 in Seitenansicht einen Raketenantrieb oder einen chemischen Kraftstoffmotor mit einer entsprechend der Erfindung ausgeführten Düse, F i g. 4 in auseinandergezogener Darstellung die Teile eines Kernes oder Dornes, auf welchem die Düse geformt ist, F i g. 5 den Kern in zusammengesetztem Zustand von der Seite, wobei ein Teil einer Windung dargestellt ist, F i g. 6 im Längsschnitt die auf dem Kein angebrachten Schichten, Fig. 7 einen Schnitt nach der Linie 11-11 der Fi 3, F i g. 8 in vergrößertem Maßstab die Verbindung zwischen der Düse und der Brennkammerwand des Raketenantriebes nach F i g. 3. In the drawing, the invention is shown as an example. It shows F i g. 1 shows a top view of a section of a resin-impregnated material strip according to the invention from which the tip of a ballistic missile or a ballistic projectile is made, FIG. 2 shows a core or mandrel in longitudinal section on which the body is formed with enveloping, overlapping layers, FIG. 3 shows a side view of a rocket drive or a chemical fuel engine with a nozzle designed according to the invention, FIG . 4 shows, in an exploded view, the parts of a core or mandrel on which the nozzle is formed, FIG. 5 shows the core in the assembled state from the side, with part of a turn being shown, FIG. 6 shows in longitudinal section the layers applied to the surface, FIG. 7 shows a section along line 11-11 of FIG. 3, FIG. 8 shows, on an enlarged scale, the connection between the nozzle and the combustion chamber wall of the rocket drive according to FIG. 3.

Einzelheiten der Ausbildung des Körpers 13 sind in den F i g. 1 und 2 dargestellt. Der Körper wird von einem länglichen Streifen 16 (F i g. 1) aus harzgetränktem Glasfasergewebe od. dgl. hergestellt; er kann aus Glasfasergewebe oder Asbestfasergewebe oder einem andern hitzebeständigen Fasermaterial .,estellt werden und ist mit einem geeigneod. dgl. herg C ten hitzehärtbaren Harz, wie beispielsweise Phenolformaldehyd, getränkt. Der Streifen 16 ist mit einer Mehrzahl von dreieckigen Schlitzen 17 entlang dem einen Längsrand 18 versehen, die quer zum Streifen verlaufen, und ist auf einem Kein oder Dorn 19 (F i g. 2) aufgewickelt. Der Kern 19 besteht aus einer Röhre aus dünnwandigem Metall und enthält einen Haupttell 21 von kegelstumpfförmiger Gestalt und einem kegelstumpffönnigen Flansch 22, der von dem unteren Rand des Hauptteiles unter einem Winkel von ungefähr 25 bis 300 zur Wand des Hauptteiles 21 nach außen vorsteht.Details of the design of the body 13 are shown in FIGS. 1 and 2 shown. The body is made of an elongated strip 16 ( FIG. 1) made of resin-soaked fiberglass fabric or the like; it can be made of glass fiber fabric or asbestos fiber fabric or another heat-resistant fiber material., and is equipped with a suitable. Like. Herg C th thermosetting resin, such as phenol formaldehyde, soaked. The strip 16 is provided with a plurality of triangular slits 17 along one longitudinal edge 18 , which run transversely to the strip, and is wound on a ribbon or mandrel 19 ( FIG. 2). The core 19 consists of a tube of thin-walled metal and includes a main part 21 of frustoconical shape and a frustoconical flange 22 which protrudes outwardly from the lower edge of the main part at an angle of approximately 25 to 300 to the wall of the main part 21.

Der Streifen 16 ist in der aus der F i g. 2 ersichtlichen Weise auf den Kein aufgewickelt, wobei an dem Flansch 22 begonnen ist, dessen Winkel den Winkel bestimmt, unter welchen die Schichten in bezug auf die Achse des Körpers schräg verlaufen. Die Schichten sind mit dem geschlitzten Rand zum Kern hin aufgewickelt, so daß die Schichten sich gegenseitig überlappend flach aufeinanderliegen. Wenn der Streifen gewickelt wird, nähern sich die Ränder der dreieckigen Schlitze einander. Wie am deutlichsten aus F i g. 2 ersichtlich ist, welche die auf den Kern aufgewickelten Schichten vor dem Pressen zeigt, überlappen sich die Ränder der Schichten in der Art von Dachschindeln.The strip 16 is shown in FIG. 2, it is wound onto the loop, starting at the flange 22, the angle of which determines the angle at which the layers are inclined with respect to the axis of the body. The layers are wound with the slit edge towards the core, so that the layers lie flat on top of one another, overlapping one another. As the strip is wrapped, the edges of the triangular slots approach each other. As best seen in FIG. 2, which shows the layers wound on the core prior to pressing, the edges of the layers overlap in the manner of roof shingles.

Die Schichten schneiden die Oberfläche des Körpers, über welche die Luft unter einem kleinen spitzen Winkel fließt, so daß der Luftdruck auf. die Außenseite der Wandung die Schichten flach gegeneinanderdrückt. Die Schräglage der Schichten der Wandung des Körpers von der konischen Nase in bezug auf die Richtung des Luftstromes längs der Wandungen verringert die Wahrscheinlichkeit oder Möglichkeit eines Ablösens oder -blätterns der Schicht, da sich jede Schicht durch die Wand des Körpers hindurch erstreckt. Die Hitzeübertragung entlang den Schichten wird jedoch wegen der erheblichen Breite einer jeden Schicht stark herabgesetzt. In der F i g. 3 ist eine Schubdüse 33 für einen Raketenantrieb oder einen chemischen Kraftstoffmotor 34 dargestellt, der mit einer Wand mit Schichten ausgerüstet ist, die in bezug auf die Oberflächen der Wandung schräg verlaufen. Die Düse ist an dem Ausströmende des Antriebes angeordnet, und heiße Ausströmgase verlaufen durch die Düse mit einer sehr hohen Geschwindigkeit.The layers cut the surface of the body over which the air flows at a small acute angle, so that the air pressure increases. the outside of the wall presses the layers flat against each other. The inclination of the layers of the wall of the body from the conical nose with respect to the direction of air flow along the walls reduces the likelihood or possibility of peeling or flaking of the layer as each layer extends through the wall of the body. However, the heat transfer along the layers is greatly reduced because of the considerable width of each layer. In FIG. 3 , a rocket propulsion or chemical fuel engine 34 jet nozzle 33 is shown equipped with a wall having layers that are inclined with respect to the surfaces of the wall. The nozzle is located at the outlet end of the drive and hot exhaust gases travel through the nozzle at a very high speed.

Die Düse 33 wird auf einem zweiteiligen Kern mit den Abschnitten 35 und 36 (F i g. 4 und 5) hergestellt, der in zusammengesetztem Zustand nach F i g. 6 eine Außenfläche hat, auf welche ein Streifen 37 aus harzgetränkter Glasfaser aufgewickelt ist. Der Streifen ist z. B. mit einem Phenolformaldehydharz getränkt. Der Kernabschnitt 35 ist mit einem zylindrischen Ansatz 39 (F i g. 5) versehen, der in einem Sockel 41 in dem Kernabschnitt 36 eingepaßt ist, wodurch die beiden Abschnitte miteinander ausgerichtet gehalten werden.The nozzle 33 is produced on a two-part core with the sections 35 and 36 ( FIGS. 4 and 5) , which in the assembled state according to FIG. 6 has an outer surface on which a strip 37 of resin-impregnated glass fiber is wound. The strip is z. B. impregnated with a phenol formaldehyde resin. The core section 35 is provided with a cylindrical extension 39 ( Fig. 5) which is fitted in a socket 41 in the core section 36 , whereby the two sections are kept in alignment with one another.

Das Aufwickeln des Streifens 37 wird an dem dickeren Ende des Kernabschnittes 35 begonnen und in der Richtung auf das engere Ende fortgesetzt. Die Winkellage der Schichten der Bewicklung 43 in bezug auf den Kein ist in F i g. 6 dargestellt. Die Schichten werden im wesentlichen unter einem konstanten Winkel zu der Innenfläche der Düse gehalten, bis der engste Abschnitt 44 erreicht ist. Wie in F i g. 8 dargestellt, ist der Streifen entlang einer Kante in dem Abschnitt des auf den Kern 35 aufgewickelten Streifens eingekerbt. Kurz hinter dem engsten Teil 44 (F i g. 6) erreichen die Schichten einen Teil, an welchem sie parallel zur Düsenachse liegen. Hinter diesem Abschnitt weist die Düse einen kegelstumpfförmigen Teil 45 auf. In dem Teil 45 liegen die Schichten parallel zur Düsenachse. Der Abschnitt des Streifens, aus welchem der Teil 45 geformt ist, ist fortlaufend und nicht mit Einkerbungen versehen. Die Wicklung auf dem Kein wird dann nach an sich bekanntem Verfahren unter Einwirkung von Druck und Wärme behandelt, um die Windungen des Streifens zu lamellieren und das Harz erstarren zu lassen, wodurch ein lamellierter oder geschichteter Hauptdüsenabschnitt entsteht.The winding of the strip 37 is started at the thicker end of the core section 35 and is continued in the direction towards the narrower end. The angular position of the layers of the wrapping 43 with respect to the notch is shown in FIG . 6 shown. The layers are held at a substantially constant angle to the inner surface of the nozzle until the narrowest portion 44 is reached. As in Fig. 8 , the strip is scored along one edge in the portion of the strip wound on the core 35. Shortly after the narrowest part 44 ( FIG. 6) , the layers reach a part where they are parallel to the nozzle axis. Behind this section, the nozzle has a frustoconical part 45. In the part 45 the layers are parallel to the nozzle axis. The portion of the strip from which part 45 is formed is continuous and not indented. The winding on the none is then treated with pressure and heat in a manner known per se to laminate the turns of the strip and solidify the resin, thereby forming a laminated or layered main nozzle section.

Die geschichtete Düse ist mit einer äußeren Bewicklung 48 aus Glasfaservorgespinst (F i g. 8) versehen, welches mit einem geeigneten hitzehärtbaren Harz getränkt und rund um die Hauptbewicklung 43 aufgewickelt ist, so daß eine fortlaufende Umhüllung entsteht, die eine Festigkeit ergibt, die einem Platzen oder Brechen widersteht. Eskönnen mehrere Schichten der Vorgespinstbewicklung 48 auf die Hauptbewicklung 43 aufgewickelt werden. Die gewickelte Düse wird dann zum Erstarren und Aushärten des Harzes der äußeren Bewicklung in der üblichen Weise erhitzt. Die Bewicklung kann sich über einen Teil der Düse erstrecken, sie verläuft aber vorzugsweise über ihre ganze Länge. Wie aus F i g. 8 ersichtlich, ist die Vorgespinstbewicklung genügend dick, so daß ein Gewinde zum Befestigen der Düse auf den Körper des Raketenabschnittes eingeschnitten werden kann.The layered nozzle is provided with an outer wrapping 48 of fiberglass roving (Fig . 8) , which is impregnated with a suitable thermosetting resin and wound around the main winding 43, so that a continuous wrap is formed that gives a strength that is one Resists bursting or breaking. Multiple layers of the roving winding 48 can be wound onto the main winding 43. The coiled nozzle is then heated in the usual manner to set and harden the resin of the outer wrap. The wrapping can extend over part of the nozzle, but it preferably runs over its entire length. As shown in FIG. 8 , the Vorgespinstwicklung is sufficiently thick that a thread can be cut to secure the nozzle on the body of the missile section.

Claims

Claims: 1. Layered, fiber-reinforced plastic wall for missiles or propulsion nozzles that are exposed to gas flows at high flow speeds, with the end edges of the individual layers lying freely in the gas flow and the layer surfaces being inclined in the direction of flow, deviating from the normal to the gas flow, thereby g e ken nze i ch net that the layers (26, 43) are formed from a continuous fabric strip (16) of constant width consisting of heat-resistant fiber material, which in overlapping turns represent the cylindrical, conical or tubular plastic wall, the individual layers being impregnated with a thermosetting resin.

2. Plastic wall according to claim 1, characterized in that the layers are inclined towards the corresponding wall surface (21) at an angle of approximately 20 to 21 '. 3. Plastic wall according to claim 1 or 2, characterized in that the fabric strip (16) consists in a known manner of an inorganic material, in particular of glass fibers.

References considered: U.S. Patent Nos. 2,835,107, 3,081,705; "British Plastics", August 1960, Vol. 33, pp. 348 to 360.