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Die Erfindung betrifft eine schwenkbare Düse für Rückstoßtriebwerke,
insbesondere Raketen, mit einem bei Schwenkbewegungen die Abdichtung des Düsenströmungskanals
nach außen sicherstellenden Wellrohr, das auf seiner Innenseite eine in seinen Wellen
verankerte plastische Wärmeschutzauskleidung trägt.
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Es ist eine derartige Düse (USA: Patentschrift 3 090198) bekannt,
bei der der vordere, konvergent ausgebildete Abschnitt vom hinteren, divergent ausgebildeten
Abschnitt getrennt ist. Mittels Stellzylindern, die einerseits am konvergenten Düsenabschnitt
und andererseits am Austrittsende des divergenten Düsenabschnitts befestigt sind,
läßt sich der divergente Düsenabschnitt relativ zum konvergenten Düsenabschnitt
verschwenken. Zur Abdichtung des ringförmigen offenen Spalts, der den konvergenten
Düsenabschnitt vom divergenten Düsenabschnitt trennt, ist ein die äußere Düsenwand
mit Abstand umgebendes Wellrohr vorgesehen, das mit seinem einen Ende am konvergenten
und an seinem anderen Ende am divergenten Düsenabschnitt befestigt ist. Nachteilig
bei dieser Anordnung ist, daß die Kontinuität der Düsenwand durch den offenen Spalt
zwischen den beiden Düsenabschnitten unterbrochen ist. Dies hat Strömungsverluste
zur Folge, die normalerweise um so größer werden, je mehr die beiden Düsenabschnitte
gegeneinander verschwenkt sind.
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Durch die Erfindung soll eine Schwenkbewegungen zulassende Düse geschaffen
werden, bei der die aerodynamische Kontinuität der Düsenwand auch bei Schwenkbewegungen
nicht unterbrochen wird. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß das Wehrohr
zumindest einen Teil des Düsenkörpers bildet, derart, daß in dem von dem Weltrohr
gebildeten Teil der Düse die Innenseite der Wärmeschutzauskleidung einen Teil der
über die ganze Düsenlänge ununterbrochenen, glatten Innenseite des Düsenströmungskanals
bildet.
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Die erfindungsgemäße Ausbildung läßt sich nicht nur bei Düsen verwenden,
bei denen eine Schwenkbewegung durch eine Stelleinrichtung gewollt herbeigeführt
wird, sondern viehmehr auch bei Düsen, die auf Grund der thermischen Beanspruchung
kleine Schwenk- und Dehnungsbewegungen ausführen.
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Bei Rohrleitungen ist es allerdings schon bekannt, Längs- und Winkelbewegungen
durch innen ausgekleidete Wellrohre aufzufangen. Bei der Erfindung handelt es sich
jedoch darum, ein ungewöhnlich großen Kräften ausgesetztes, aerodynamisch hochempfindliches
Bauteil beweglich zu machen.
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Die erfindungsgemäße Düse hat gegenüber der eingangs beschriebenen
Düse, bei der das Weltrohr den offenen Ringspalt zwischen den beiden Düsenabschnitten
umgibt, den Vorteil, daß der Außendurchmesser der Düse im Bereich des Düsenhalses
durch das Wellrohr kaum vergrößert wird. Somit ist in diesem Bereich, im Gegensatz
zu der bekannten Düse, Platz für Zusatzgeräte u. dgl. vorhanden.
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An Hand der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung
näher erläutert.
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Es zeigt F i g. 1 eine perspektivische Ansicht des hinteren Abschnitts
einer Rakete mit einer erfindungsgemäß ausgebildeten Düse, F i g. 2 eine vergrößerte
Ansicht der in F i g.1 gezeigten Düse, F i g. 3. eine der F i g. 2 analoge -Darstellung
eines anderen Ausführungsbeispiels; F i g. 4 bis 7 zeigen Längsschnitte durch vier
verschiedene Ausführungsformen von Wehrohren; F i g. 8 zeigt eine schematische Darstellung
der Verformungen einer erfindungsgemäß ausgebildeten Düse, F i g. 9 ein weiteres
Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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In den F i g. 1 und 2 ist der hintere Teil eines Raketenkörpers 1
dargestellt, der durch einen Boden 2 abgeschlossen und nach hinten durch einen Trichter
3 verlängert ist, der eine Düse 4 umgibt. Diese Düse 4 endet in einem ringförmigen
Rand 5, über dessen Umfang Scharniere 5 a verteilt sind, an denen die Stangen
von Stellmotoren, hier in Form von doppeltwirkenden Stehzylindern 6, angelenkt sind.
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Behälter 8, die um die Düse 4 verteilt sind, sind untereinander und
auf dem Boden 2 durch dreieckige Träger 7 gehalten, die an den Enden durch Befestigungen
7 a mit Schwenklagern verbunden sind, um Deformationen auszugleichen. Die Behälter
stehen untereinander an diametral gegenüberliegenden Punkten durch Sammelrohre 10,10
a in Verbindung.
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An den Trägern 7 sind Magnetventile 9 befestigt. Ihre Eingänge sind
an das Sammelrohr 10 angeschlossen, und ihre vier Ausgänge sind über biegsame Rohre
an die oberen und unteren Teile der beiden Stehzylinder angeschlossen, die jeweils
zu beiden Seiten des betrachteten Magnetventils liegen.
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Die Flüssigkeit, die zur Betätigung der Stellzylinder dient, ist durch
ein komprimiertes und mit der Flüssigkeit in den Behältern in Berührung stehendes
Gas unter Druck gesetzt. Der Gasdruck wird über das Sammelrohr 10 a ausgeglichen.
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Eine Verschiebung der Düse 4 senkrecht zu einem der Zylinder (z. B.
gemäß D 1 oder D 2 in F i g. 8) wird durch Öffnen derjenigen Ausgänge
der zu beiden Seiten dieses Zylinders liegenden Magnetventile bewirkt, die zu den
entsprechenden Kolbenseiten führen.
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Die Düse 4 ist an dem Boden 2 der Rakete mittels eines starren Halses
11 befestigt, der in der üblichen Weise mit einem geeigneten thermischen Schutz
und, falls notwendig, mit einem herkömmlichen Kühlsystem versehen ist.
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Erfindungsgemäß ist der divergente Endteil der Düse mit einer metallischen
Hülle in Form eines Wehrohres oder Balges 12 versehen, der mit einem Ende mit Hilfe
eines Verbindungsrahmens 13 an dem Hals 11 befestigt ist und mit seinem anderen
Ende in den ringförmigen Rand 5 übergeht, der mittels der Zylinder 6 verstellbar
ist. Der Balg 12 ist innen mit einem verformbaren Wärmeschutzmaterial 14 ausgekleidet,
das an einer inneren Umfangsfläche 14 a die richtige Geometrie für die Ausströmung
der heißen Gase hat.
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Die metallische Hülle kann sich im wesentlichen über die gesamte Länge
des divergenten Teils erstrecken, wie es in den F i g. 1 und 2 dargestellt ist,
oder sich auf einen stromaufwärts befindlichen Teil beschränken, wie es in F i g.
3 dargestellt ist. Im letzteren Fall ist die metallische Hülle stromabwärts durch
ein kegelstumpfförmiges Element 15 verlängert, das an dem ringförmigen Rand 5 befestigt
ist.
Die metallische Hülle kann in verschiedensten Ausführungsformen
vorliegen: Sie kann aus einer kontinuierlichen Folge von in Axialrichtung nebeneinanderliegenden
Ringen bestehen, die wechselweise konvexe und konkave Mantelflächen aufweisen, die
aneinandergefügt sind (F i g. 4); sie kann aus einer Folge von in Axialrichtung
nebeneinanderliegenden Ringen mit nur konkaven miteinander verbundenen Mantelflächen
bestehen (F i g. 5); sie kann aus miteinander verbundenen doppelt oder einfach kegelstumpfförmigen
Elementen bestehen (F i g. 6 und 7).
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In allen Fällen ist die Hülle in der Lage, lineare und winkelförmige
Verformungen, die unter dem Einfluß auf sie ausgeübter gewollter und nicht gewollter
Kräfte entstehen, aufzunehmen. F i g. 8 zeigt in sehr schematischer Darstellung
diese Verformungen, die in allgemeiner Form durch Pfeile D 1 und D 2 einerseits
und R andererseits bezeichnet sind, wobei letzterer die Verschiebung des divergierenden
Teils durch eine Kombination von D 1 und D 2 darstellt.
Die radiale Verschiebung der Düse in allen transversalen Richtungen, die durch die
verformbare Verbindung nach der Erfindung möglich wird, kann dazu verwendet werden,
die Maschine zu steuern oder ihren Kurs zu stabilisieren.
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Die beschriebene verformbare Einrichtung kann auch in allen anderen
Fällen verwendet werden, bei denen es darauf ankommt, ein erhöhten internen Drücken
oder thermischen Spannungen unterworfenes Teil mit einem festen Teil, das keinen
oder nur geringen Verformungen unterworfen werden darf, zu verbinden.
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Das ist insbesondere der Fall bei kegelstumpfförmigen Kanälen 16 (s.
F i g. 9), die einerseits in einem Bereich 17 mit einem starren zylindrischen Mantel
18 eines Triebwerks und andererseits mit einem biegsamen Boden 19, der erheblichen
Verformungsdrücken ausgesetzt ist, verbunden ist.
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Es ist bekannt, daß bei Raumfahrzeugen die Trennung der Nutzlast von
der letzten Antriebsstufe mit größter Vorsicht so durchgeführt werden muß, daß man
nicht Gefahr läuft, die Bahn des Raumfahrzeuges dadurch zu stören, daß es von der
letzten Antriebsstufe während einer mehr oder weniger langen Zeit nach der Abtrennung
begleitet wird.
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Der Vorgang umfaßt zwei Schritte: 1. Trennung der Nutzlast von der
letzten Stufe durch eine explodierende Verbindung, die den Verbindungsmantel in
zwei Teile teilt; 2. Öffnen des Bodens vor der letzten Stufe, was sehr schnell den
Druck im Inneren des Antriebs zu Null macht.
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Die Trennung ist dadurch vollständig, daß das Fortschreiten der letzten
Stufe bei diesem Vorgang sehr plötzlich gestoppt wird. Die Nutzlast setzt ihren
Weg infolge Trägheit fort.
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Die Anwendung der Erfindung gemäß F i g. 9 besteht in der Anordnung
mehrerer Kanäle 16, die in dem vorderen Boden 19 des Antriebs in geeigneter Weise
ausgebildet sind. Diese sind starr mit dem Verbindungsmantel 18 verbunden
und über eine erfindungsgemäße verformbare Verbindung 12 mit dem Boden 19 vor der
letzten Stufe verbunden. Sie stehen über Öffnungen 20, die im Mantel
18 vorgesehen sind, mit dem Außenrahmen in Verbindung.
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Nach dem gesteuerten Öffnen der Eingänge 21 der Kanäle entweicht
das unter Druck stehende Gas nach außen.
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Die Anordnung der erfindungsgemäßen Hülle 12
gestattet es dem
Kanal 16, trotz der Verformungen des Bodens 19 in Ruhe zu bleiben, da die
linearen und Winkeldifferenzen von der Hülle absorbiert werden.
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Neben anderen Vorteilen ermöglicht die verformbare Verbindung nach
der Erfindung die Anwendung weniger genauer Herstellungstoleranzen und damit eine
bessere Anpassung an die Gegebenheiten der industriellen Fertigung.