DE1291634B

DE1291634B - Windows for high-speed aircraft and missiles

Info

Publication number: DE1291634B
Application number: DED51679A
Authority: DE
Inventors: Dr Rer Nat Guenter; Hoff; Dr Rer Nat Horst; Rieger
Original assignee: Dornier System GmbH
Current assignee: Dornier System GmbH
Priority date: 1966-12-01
Filing date: 1966-12-01
Publication date: 1969-03-27
Also published as: FR1557050A; GB1193325A

Description

Die Erfindung befaßt sich mit dem Problem der Regenerosion an Flugzeugteilen, die bei großen Geschwindigkeiten dem Einfluß von Regentropfen ausgesetzt sind. Dieselben Probleme treten auch bei anderen Körpern auf, die ebenfalls mit großer Geschwindigkeit bewegt werden, so z. B. bei Flugkörpern und Raumfahrzeugen. Entsprechende Probleme, wie bei der Regenerosion, treten auch auf bei der Erosion durch feinste Staubpartikelchen oder Mikrometeoriten, so daß diese Probleme hier gleichzeitig mit erfaßt werden können. -- , In der Praxis hat sich bei den heute üblichen höhen Fluggeschwindigkeiten in der Nähe der Schallgeschwindigkeit und vor allem im Überschallbereich gezeigt, daß die üblicherweise verwendeten Fenster in Flugzeugen unter der hohen Wucht der aufprallenden Regentropfen weitaus schneller zerstört werden als die übrigen Bauteile des Flugzeuges.The invention deals with the problem of rain erosion on aircraft parts, which are exposed to raindrops at high speeds. The same Problems also arise with other bodies that are also moving at great speed be moved, so z. B. in missiles and spacecraft. Corresponding problems As with rain erosion, erosion also occurs due to the finest dust particles or micrometeorites, so that these problems are covered here at the same time can. - In practice, at the high airspeeds customary today shown near the speed of sound and especially in the supersonic range, that the windows commonly used in aircraft under the high impact of the impacting raindrops are destroyed much faster than the other components of the aircraft.

Unter den in modernen Hochgeschwindigkeitsfiugzeugen eingebauten Fenstern sind die Infrarotfenster, die als Schutz für optische Instrumente zur Beobachtung und Messung im infraroten Spektralbereich dienen, einem besonders hohen Verschleiß durch Regenerosion ausgesetzt. Obwohl sie bereits schräggestellt sind, um die Erosionswirkung zu vermindern (aus optischen Gründen ist eine solche Schrägstellung nur bis zu einem gewissen Grad möglich), werden ihre Oberflächen in der Praxis schon nach wenigen Minuten - möglicherweise schon nach wenigen Sekunden - Flug durch den Regen bei hoher Geschwindigkeit so stark zerstört, daß sie für die optische Einrichtung unbrauchbar sind und immer wieder ausgewechselt ,.werden müssen. Als Infrarotfenster wurden bisher -im wesentlichen Quarzgläser verwendet. In neuester Zeit ist dabei auch an die Herstellung von Fenstern aus polykristallinem A1203, das klar gepreßt ist, gedacht.Under the windows built into modern high-speed aircraft are the infrared windows that act as protection for optical instruments used for observation and measurements in the infrared spectral range are used, a particularly high level of wear exposed to rain erosion. Although they are already tilted to reduce the erosion effect to reduce (for optical reasons, such an inclination is only up to one possible to a certain extent), their surfaces become in practice after just a few Minutes - possibly after just a few seconds - flight through the rain high speed so badly destroyed that they are unusable for the optical device are and have to be replaced again and again. As infrared windows were so far - mainly quartz glasses used. Recently it is also on the production of windows from polycrystalline A1203 which is clear pressed.

Diese polykristallinen oder gesinterten Fenster weisen zwar eine große Widerstandsfähigkeit gegen sehr hohe Temperaturen auf, sind aber bezüglich ihrer Lichtdurchlässigkeit nicht besonders günstig. Solche gesinterten Fenster müssen als sehr dünne Scheiben ausgebildet sein, um die erforderliche Durchlässigkeit für Strahlungen aufzuweisen. Dadurch leidet aber sofort wiederum die mechanische Festigkeit außerordentlich stark. Ein weiterer Nachteil der gesinterten Körper besteht darin, daß zwar für manche Fälle eine brauchbare Durchlässigkeit für Lichtstrahlung des sichtbaren und des daran anschließenden. Spektralbereichs erreicht wird, daß dabei aber eine Streuung stattfindet. Hinter dem Körper wird also- eine verhältnismäßig große Strahlungsmenge festgestellt, aber der Strahlengang ist gestört, so daß derartige gesinterte Fenster z. B. nicht vor fotografischen Apparaten od. dgl. eingebaut @ werden können:: Gerade abei für den Zweck, optische Aufnahmeapparate zu schützen, sollen die Fenster geeignet sein.These polycrystalline or sintered windows have a large size Resistance to very high temperatures, but are regarding their Light transmission not particularly favorable. Such sintered windows must be designed as very thin disks to provide the necessary permeability for To exhibit radiations. As a result, however, the mechanical strength immediately suffers extraordinarily strong. Another disadvantage of the sintered body is that although for some cases a useful permeability for light radiation of the visible and the subsequent. Spectral range is achieved that thereby but there is a spread. So behind the body there becomes a proportion large amount of radiation detected, but the beam path is disturbed, so that such sintered windows z. B. not installed in front of photographic equipment or the like @ can be used: Especially for the purpose of protecting optical recording devices, the windows should be suitable.

Als Werkstoff für hochbeanspruchte Fenster sind auch Saphir-Einkristalle bekannt. Saphir-Einkristalle haben gute optische Eigenschaften aufzuweisen, aber auch sie genügen nicht ohne weiteres den Forderungen hinsichtlich der Regenerosionsbeständigkeit, denn es hat sich gezeigt, daß diese Einkristalle ganz unterschiedliche Widerstandswerte im Falle der Regenerosion aufweisen.Sapphire monocrystals are also used as a material for highly stressed windows known. Sapphire single crystals have good optical properties, however they also do not readily meet the requirements for rain erosion resistance, because it has been shown that these single crystals have very different resistance values in the case of rain erosion.

Dieselben Überlegungenwie für die Fenster des sichtbaren und infraroten Spektralbereiches gelten auch die Fenster anderer Spektralbereiche, z. B. für Radarnasen. Bei Frontscheiben in der Führerkabine treten diese Probleme selbstverständlich auch auf, jedoch nicht in dem oben aufgezeigten Umfang, da die Frontscheiben der Führerkabine gegenüber den obengenannten Fenstern sehr schräggestellt sind und im wesentlichen nur die Normalkomponente der Auftreffgeschwindigkeit der Regentropfen maßgeblich ist.The same considerations as for the visible and infrared windows Spectral range, the windows of other spectral ranges also apply, e.g. B. for radar noses. Of course, these problems also occur with front windows in the driver's cab on, but not to the extent indicated above, as the front windows of the driver's cab compared to the windows mentioned above are very inclined and essentially only the normal component of the impact speed of the raindrop is decisive is.

DerErfindung lag dieAufgabe zugrunde, einenWerkstoff zu finden, der wesentlich bessere Festigkeitseigenschaften hinsichtlich der Regenerosion aufweist und der mindestens ebenso-gute spektrale Durchlässigkeit besitzt wie die bisher verwendeten Fenster. Das Ziel wird mit Saphir-Einkristallen als Werkstoff erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die C-Achse der Saphir-Einkristalle parallel zur Oberfläche des Fensters liegt.The invention was based on the task of finding a material that has significantly better strength properties with regard to rain erosion and which has at least as good spectral transmittance as the previous one used window. The aim is with sapphire single crystals as the material according to the invention achieved in that the C-axis of the sapphire single crystals is parallel to the surface of the window.

Solche Monokristalle lassen sich heute durchaus mit Durchmessern von 10 cm und mehr herstellen und sind infolge der dem Saphir eigenen Härte und Festigkeit besonders widerstandsfähig gegen Regenerosion. Der durch die Verwendung von Saphirfenstern nach der Erfindung erzielbare Fortschritt wird daraus ersichtlich, daß nunmehr die Fenster eine Regenerosionsbeständigkeit haben,'die derjenigen des Stahles etwa gleichkommt. Die Verbesserung gegenüber den bisherigen Quarzfenstern liegt um den Faktor von 102 bis 103 höher. Hinzu kommt noch als wesentlicher Vorteil, daß die Durchlässigkeit für elektromagnetische Wellen, insbesondere im ultraroten Spektralbereich günstiger ist als bei den bisher verwendeten Quarzfenstern. Wenn die Durchlässigkeit bei Quarzfenstern bisher etwa bei einer Wellenlänge von 4 #tm etwa auf 30 °/o abgesunken ist, liegen für ein Saphirfenster ähnliche Verhältnisse erst bei einer Wellenlänge von etwa 6 #tm vor. Diese Verhältnisse sind in dem Diagramm F i g. 1 schematisch dargestellt. Die günstigen Eigenschaften der Saphirfenster nach der Erfindung machen es möglich, die Fenster sehr steil, unter Umständen sogar frontal einzubauen, weswegen die optische Wiedergabe gegenüber den bisherigen Fenstern -wesentlich verbessert ist. Nachdem - wie oben erwähnt - die Erosionsbeständigkeit der Fenster nunmehr praktisch mit der von Stahl, gleichzusetzen ist, ergibt sich außer der genannten optischen Verbesserung eine außerordentlich starke Vereinfachung in der Wartung, da nunmehr ein Auswechseln von Fenstern, was stets mit hohem Zeit- und Kostenaufwand durchgeführt werden mußte, überhaupt nicht mehr erforderlich ist. Ferner ist der Sicherheitsfaktor für- die durch das Fenster geschützten optischen oder sonstigen Geräte entsprechend erhöht, und schließlich soll- nicht unerwähnt bleiben, daß auch die Flugsicherheit dadurch wesentlich erhöht wird, weil die Fenster bei Flug durch Regen nicht mehr in ihrer Oberfläche zerstört werden.Such monocrystals can now be made with diameters of Manufacture 10 cm and more and are due to the hardness and strength of the sapphire particularly resistant to rain erosion. The one through the use of sapphire windows achievable according to the invention progress is apparent from the fact that now the Windows have a rain erosion resistance that is roughly equivalent to that of steel. The improvement over the previous quartz windows is by a factor of 102 to 103 higher. Another major advantage is that it is permeable cheaper for electromagnetic waves, especially in the ultra-red spectral range than with the previously used quartz windows. When the permeability in quartz windows has so far decreased to about 30 ° / o at a wavelength of 4 #tm for a sapphire window similar conditions only at a wavelength of about 6 #tm before. These relationships are shown in the diagram F i g. 1 shown schematically. The favorable properties of the sapphire windows according to the invention make it possible the windows are very steep, possibly even to be installed from the front, which is why the optical one Playback compared to the previous windows is significantly improved. After this - as mentioned above - the erosion resistance of the window is now practically with that of steel is to be equated, results in addition to the mentioned optical improvement an extremely strong simplification in the maintenance, since now a replacement of windows, which always had to be carried out with great expenditure of time and money, is no longer necessary at all. Furthermore, the safety factor for the optical or other devices protected by the window are increased accordingly, And finally, it should not go unmentioned that this also increases flight safety is significantly increased because the windows are no longer in their flight due to rain Surface are destroyed.

In der F i-g- 2 ist die Regenerosionsbeständigkeit von Quarzfenstern, von Saphirfenstern nach der Erfindung und zum Vergleich noch die eines Vertreters von den im Flugzeugbau üblichen A1CuMg-Legierungen (im allgemeinen unter dem Namen Dural bekannt) dargestellt. Die Versuchsbedingungen sind in allen Fällen dieselben: Probengeschwindigkeit ... 410 m/sec Regendichte ............. 1-10-5 Wasservolumen zu Luftvolumen Tropfengröße ........... 1,2 mm Durchmesser Lufttemperatur .......... 30°C Ein Maß für die Regenerosionsbeständigkeit ist der Gewichtsverlust der Proben.FIG. 2 shows the rain erosion resistance of quartz windows, of sapphire windows according to the invention and, for comparison, that of a representative of the A1CuMg alloys common in aircraft construction (generally known under the name Dural). The experimental conditions are the same in all cases: Sample speed ... 410 m / sec Rain density ............. 1-10-5 Water volume to air volume Droplet size ........... 1.2 mm diameter Air temperature .......... 30 ° C The weight loss of the samples is a measure of the rain erosion resistance.

Eingehende Überlegungen, die durch Untersuchungen erhärtet wurden, haben ergeben, daß die zur Verfügung stehenden Einkristalle verschiedene Widerstandswerte im Falle der Regenerosion aufweisen; dabei hat sich herausgestellt, daß für die verschlechterten Werte die Lage der C-Achse in bezug auf die Oberfläche des Fensters maßgeblich ist. Die besten Werte werden erhalten, wenn die C-Achse parallel zur Oberfläche liegt. Mit zunehmender Neigung der C-Achse zur Oberfläche werden die Werte ständig schlechter. Ferner wurde festgestellt, daß gewisse Abweichungen von der exakten Einkristallform zwar gewisse Verschlechterungen bringen können, jedoch nicht so weit, daß diese Werkstoffe völlig unbrauchbar wären. Es handelt sich dabei um Zwillings- oder Kleinwinkel-Korngrenzen, bei denen die C-Achse an verschiedenen Stellen der Oberfläche unter geringfügig verschobenen Winkeln liegt. Diese geringfügigen Schwankungen der C-Achsenlage sind maßgeblich für die Verschlechterung der Beständigkeit. Solange die Winkelunterschiede in geringen Grenzen bleiben, können aber solche Werkstoffe durchaus verwendet werden. Die Beständigkeit eines Werkstoffes mit C-Achse parallel zur Oberfläche verglichen mit einem solchen Werkstoff, dessen C-Achse senkrecht zur Oberfläche steht, verändert sich etwa um eine Zehnerpotenz. Als Minderungsfaktor kommen nicht allein die Schwankung der C-Achse, sondern auch Korngrenzen in Betracht, denn die ersten Ausbrüche entstehen an den Korngrenzen.In-depth considerations supported by research have shown that the single crystals available have different resistance values in the case of rain erosion; it turned out that for the values deteriorated the position of the C-axis with respect to the surface of the window is relevant. The best values are obtained when the C-axis is parallel to the Surface lies. With increasing inclination of the C-axis to the surface, the Values steadily worse. It was also found that certain deviations from the exact single crystal form can cause certain deteriorations, however not so far that these materials are completely useless. These are about twin or small-angle grain boundaries in which the C-axis is at different Place the surface at slightly shifted angles. These minor ones Fluctuations in the C-axis position are decisive for the deterioration in durability. As long as the angle differences remain within small limits, such materials can can be used. The resistance of a material with a C-axis parallel to the surface compared to such a material whose C-axis is perpendicular stands to the surface, changes by about a power of ten. As a reduction factor not only the fluctuation of the C-axis but also grain boundaries come into consideration, because the first outbreaks occur at the grain boundaries.

Die Überlegungen haben außerdem noch gezeigt, daß der Grad der Spannungsfreiheit ebenfalls in die Beständigkeit eingeht. Um hohe Beständigkeit zu erzielen, muß der Kristall möglichst spannungsfrei sein und soll daher zuvor getempert werden.The considerations have also shown that the degree of freedom from tension also goes into constancy. In order to achieve high resistance, the Crystal should be as free of tension as possible and should therefore be tempered beforehand.

Der Einkristall kann im Gegensatz zu polykristallinem A1203 beliebig dick gewählt werden, ohne daß seine Durchsichtigkeit darunter leidet. Es ist daher möglich, ohne weiteres eine genügende Festigkeit auch gegen mechanische Beschädigung, z. B. Beschuß, zu erreichen und nicht nur gegen Regenerosion.In contrast to polycrystalline A1203, the single crystal can be used as desired thick can be chosen without its transparency suffering from it. It is therefore possible, without further ado, sufficient strength also against mechanical damage, z. B. bombardment, and not just against rain erosion.

Claims

Claims: 1. Windows for high-speed aircraft and Missile with sapphire single crystals as material, characterized in that the C-axis of the sapphire single crystals is parallel to the surface of the window.

2 Windows according to claim 1, characterized by the fact that the single crystal is free of stress, which can be achieved for example by annealing.

3. Window according to claim 1 and 2, characterized by the approval of small-angle grain boundaries and twins in the material to a small extent.