DE1915433C1 - Isolierte Treibsaetze fuer Raketenmotoren - Google Patents

Description

25

Die Erfindung bezieht sich auf die Inhibierung der Verbrennung von bestimmten Oberflächen von festen Treibladungen für Raketenmotoren. Die Erfindung betrifft insbesondere Verfahren zur Erzielung einer derartigen Inhibierung sowie feste Treibladungen, die auf diese Weise inhibiert sind.

Raketenmotoren können auf zwei verschiedenen Wegen mit festen Treibladungen beschickt werden. Der erste Weg besteht darin, daß man außerhalb des Gehäuses des Motors ein festes Treibmittel herstellt, welches anschließend in die Brennkammer im Gehäuse eingeführt wird. Diese Art der Ladung des Motors wird als »Patronenladung« bezeichnet. Der zweite Weg besteht darin, daß man das Treibmittel in die Brennkammer eingießt, wobei die Wandung der Brennkammer, welche gewöhnlich das Gehäuse des Motors darstellt, ganz oder teilweise als Gußform dient. Hierbei wird das Treibmittel mit der Wandung verbunden, wobei man von einem Motor mit »Gehäuseverbindung« spricht

Bei Raketenmotoren mit Patronenladung liegt im wesentlichen die gesamte Oberfläche des Treibsatzes innerhalb der Raketenverbrennungskammer frei, so daß es gewöhnlich erwünscht ist, die Verbrennung an einem Teil der Oberfläche zu inhibieren. Eine solche Inhibierung ist manchmal auch bei einigen der frei liegenden Treibmitteloberflächen eines Raketenmotors mit Gehäuseverbindung erwünscht.

Cellulosederivate, wie z. B. Ester- und Ätherderivate, beispielsweise Celluloseacetat und Äthylcellulose, wurden viele Jahre lang zur Inhibierung der Verbrennung verwendet. Sie besitzen jedoch den Nachteil, daß, wenn sie zur Inhibierung der Verbrennung von festen Treibmitteln verwendet werden, die Nitroglycerin oder andere Salpetersäureester und/oder Weichmacher enthalten, sie Nitroglycerin oder den anderen Salpetersäureester oder Weichmacher während der Lagerung der festen Treibsätze oder des Raketenmotors mit Gehäuseverbindung absorbieren und dadurch unter Umständen selbst hoch brennbar werden, wodurch die Inhibierung unwirksam wird. Zusätzlich veranlaßt das absorbierte Nitroglycerin, der Salpetersäureester oder der Weichmacher ein Quellen, ein Erweichen und einen Festigkeitsverlust, wodurch während der Verbrennung des betreffenden Treibmittels die gesamte mechanische Festigkeit der Ladung, welche im beträchtlichen Ausmaß von der Festigkeit des Inhibitors abhängt, allmählich in einem solchen Ausmaß abnimmt, daß eine Verformung der Ladung eintritt, wodurch eine Kontraktion des Führungsquerschnitts stattfindet. Das Ergebnis ist gewöhnlich, daß der Motor nicht oder schlecht arbeitet, und zwar aufgrund des erhöhten Drucks, welcher seine Ursache darin hat, daß der Führungsquerschnitt kleiner wird als der Düsenhaisquerschnitt und somit als Drossel wirkt Weiterhin veranlaßt ein solches Quellen und Erweichen des Inhibitorcellulosematerials unter Umständen eine Erosion durch den heißen Gasstrom innerhalb der Raketenmotorkammer, was zu einem allmählichen Freilegen von Treibmitteloberfläche in einer unvorhersagbaren und unkontrollierbaren Weise führt, und eine unkontrollierte Erhöhung des Motordrucks die Folge ist.

Wenn die Cellulosederivate durch elastomeres Material ersetzt werden und dieses als Inhibierungsmaterial verwendet wird, dann wird während der Verbrennung das Inhibierungsmaterial, welches nicht mehr durch ein Treibmittel getragen wird, leicht von seinem ursprünglichen Ort wegbewegt und übt dann Abschälkräfte auf das Inhibierungsmaterial aus, welches noch an die Treibmitteloberflächen gebunden ist und somit die Verbrennung inhibiert. Die Abschälkräfte ergeben häufig ein Abziehen von großen Flächen Inhibierungsmaterial von den Oberflächen von unverbranntem Treibmittel, wodurch diese Oberflächen für die Verbrennung frei werden. Fehlschläge sind häufig die Folge.

Aus der US-Patentschrift 31 44 830 ist es bekannt, auf Feststofftreibsätzen, auch auf doppelbasigen Treibsätzen, Isolierungen anzubringen, um ein ungleichmäßiges Abtrennen der Treibsätze zu verhindern. Diese Isolierungen können dabei auch aus zwei Schichten bestehen.

Gemäß der Erfindung wird nunmehr eine Isolierung mit einer Zwischenschicht aus einer elastomeren Verbindung, insbesondere für doppelbasige Treibsätze, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß die gegen Abbrand zu isolierenden Oberflächen über Phenolformaldehyd/Polyvinylformal-Harz mit Butylkautschuk, modifiziertem chlorosulfoniertem Polyäthylen oder modifizierten Äthylen/Propylen-Terpolymeren beschichtet sind und auf diese Zwischenschicht ein an sich bekannter geformter Celluloseester oder -äther wie Celluloseacetat oder Äthylcellulose mittels Phenol/Formaldehyd-Harz, Epoxyharz oder Polyesterharz aufgeklebt ist verwendet.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung der angegebenen mit einer Isolierung versehenen Treibsätze, wobei in einen Formkörper, bestehend aus der Zwischenschicht und der mit ihr durch den Klebstoff verbundenen Celluloseesterschicht die Treibsatzladung eingebracht bzw. eingegossen wird.

Vorzugsweise ist das Cellulosederivat ein Celluloseester oder ein Celluloseäther.

Das Cellulosederivat ist insbesondere Celluloseacetat oder Äthylcellulose.

Das die Verbrennung inhibierende Cellulosederivat kann mit der elastomeren Verbindung verbunden werden, bevor letztere mit der festen Treibladung verbunden wird, oder die elastomere Verbindung kann

mit der festen Treibladung verbunden werden, bevor sie mit dem die Verbrennung inhibierenden Cellulosederivat verbunden wird.

Die elastomere Verbindung kann direkt mit den genannten Oberflächen der festen Treibladung verbunden werden, oder das Treibmittel kann in eine Form gegossen werden, von der mindestens ein Teil ihrer Oberfläche aus der die Verbrennung inhibierenden elastomeren Verbindung besteht, wodurch ein Teil der Oberflächen der resultierenden festen Treibladung mit der elastomeren Verbindung verbunden werden.

Der Ausdruck »elastomere Verbindung«, wie er in dieser Beschreibung verwendet wird, bezeichnet ein Elastomer, das die folgenden Eigenschaften aufweist:

1. Verträglich mit dem festen Treibmittel.

2. Niedrige Löslichkeit für brennbare Komponenten des festen Treibmittels, wie z. B. für Nitroglycerin und andere flüssige Salpetersäureester und Weichmachbestandteile, wenn gegossene Doppelbasistreibmittel verwendet werden.

3. Unbrennbarkeit in den Treibmittelverbrennungsgasen und Erosionsbeständigkeit gegen die Treibmittelverbrennungsgase.

4. Thermische Kapazität, Leitfähigkeit und Expansion der gleichen Größenordnung wie diejenigen des Treibmittels.

5. Durchlässigkeit für Treibmittelzersetzungsgase, die während der Lagerung gebildet werden.

6. Bindefähigkeit mit dem Treibmittel.

7. Leichte Verformbarkeit.

8. Elastomerität, um sich dem physikalischen und mechanischen Verhalten des Treibmittels anzupassen.

Geeignete elastomere Verbindungen sind Butylkautschuke, modifiziertes chlorosulfoniertes Polyäthylen, wie z. B. die »Hypalon-Kautschuke« (Warenzeichen) der Firma E. I. du Pont de Nemours & Co., und modifizierte Äthylen/Propylen-Terpolymere, wie z. B. die »Royalene-Kautschuke« (Warenzeichen) der Firma US Rubber Co.

Alle diese Materialien sind verträglich mit Doppelbasistreibmitteln und können der Expansion und Kontraktion der Treibmittel über einen großen Temperaturbereich folgen, teilweise aufgrund ihrer hohen Dehnbarkeit und teilweise aufgrund eines ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, wie derjenige des Treibmittels.

Eine Erosionsbeständigkeit kann bei der elastomeren Verbindung dadurch hervorgerufen werden, daß diese mit flammhemmenden Materialien gefüllt wird, wie z. B. Siliciumdioxyd oder Antimonoxyd, und im Falle der »Hypalon-Kautschuke«, insbesondere dadurch, daß der Vernetzungsgrad des Polymers durch Vulkanisation mit schwefelhaltigen Verbindungen erhöht wird. Alle Typen sind ausreichend für Treibmittelzersetzungsgase durchlässig, so daß ein Abblättern der elastomeren Verbindung aufgrund einer langsamen Entwicklung von Treibmittelzersetzungsgasen während der Lagerung nicht stattfindet und damit auch ein lokales Reißen der Treibmittel/Elastomer-Bindung verhindert wird.

Es wird darauf hingewiesen, daß die elastomere Verbindung hauptsächlich als Sperrschicht dient, um den Eintritt von Nitroglycerin aus einem festen Doppelbasistreibmittel in den Cellulosederivatinhibitor, der mit der elastomeren Verbindung verbunden ist, zu verhindern. Beispielsweise absorbiert »Hypalon« nur 3 bis 5% seines eigenen Gewichts an Nitroglycerin, und dies ist praktisch vernachlässigbar, wenn man bedenkt, daß Celluloseacetat mehr als 100% absorbiert.

Bei einem Raketenmotor mit Patronenladung können die Treibmittelkörner zuerst hergestellt werden, worauf auf die zu inhibierenden Oberflächen derselben Schichten aus einer elastomeren Verbindung und einem Cellulosederivat aufgebracht werden. Jedoch wird es sowohl für Raketenmotoren mit Patronenladung als auch für Raketenmotoren mit Gehäuseverbindung bevorzugt, das Treibmittel in Inhibierungsmaterial zu gießen.

So wird in typischer Weise eine zusammengesetzte elastomere/cellulosische Struktur dadurch hergestellt, daß die gegenseitigen Bindeoberflächen von »geschneiderten« elastomeren und cellulosischen Materialien mit geeigneten Harzen verbunden werden, wie z. B. durch ein Phenol/Formaldehyd-Harz, wie z. B. dasjenige, das unter dem Warenzeichen »Redux 775« von der Firma Bonded Structures Limited vertrieben wird, oder durch ein Epoxyharz, wie z. B. dasjenige, das unter dem Warenzeichen »Epon 828« von der Firma Shell Chemicals Limited vertrieben wird, oder durch ein Polyesterharz. Die elastomere Verbindung besitzt vorzugsweise die Form einer kalandrierten Folie oder die Form eines Preßlings. Das Cellulosederivatmaterial besitzt die Form einer kontinuierlichen Folie, eines vorher hergestellten Schlauches oder eines geeignet gepreßten Formstücks.

Die elastomere Verbindung kann auf ihrer frei liegenden Oberfläche, d. h. auf derjenigen, die anschließend mit der Treibladung verbunden werden soll, eine Harzschicht der Polyvinylformaltype oder eine Duplexharzschicht aus Phenolformaldehyd/Polyvinylformal aufweisen. Diese Harze sind unter den Warenzeichen »Formvar« bzw. »Redux/Formvar« von der Firma Bonded Structures Limited erhältlich.

Die gegenseitig zu verbindenden Flächen der elastomeren und cellulosischen Materialien werden in einer geeigneten Form gegeneinander gelegt. Die fertige zusammengesetzte Struktur wird dann verbunden, Nähte werden gemacht, und die Vulkanisation des Elastomers wird durchgeführt, um die Erosionsbeständigkeit und die allgemeinen mechanischen Eigenschaften zu verbessern. Das »Formvar« wird für das anschließende Binden mit dem Treibmittel dadurch vorbereitet, daß Wärme von 60 bis 180° C, vorzugsweise 150 bis 180° C und ein Druck von mehr als 3,5 kg/cm², vorzugsweise 4,2 bis 7,0 kg/cm², angewendet wird.

Der auf diese Weise geformte Gegenstand ergibt einen vorgeformten Inhibitor, in welchen Treibmittel

so und insbesondere Doppelbasistreibmittel durch an sich bekannte Verfahren eingegossen werden.

Alternativ können elastomere Verbindungen und Cellulosederivatverbindung separat vorher hergestellt und durch ein geeignetes Verpressen oder andere geeignete Verformungstechniken auf die gewünschte Form gebracht und miteinander durch die Aufbringung eines geeigneten Harzes, wie z.B. Phenol/Formaldehyd-Harz, Epoxyharz oder Polyesterharz, miteinander verbunden werden, um zusammengesetzte cellulosische/elastomere Strukturen herzustellen. Diese werden zum Binden an das Treibmittel durch eine geeignete Anpassung der oben beschriebenen Techniken vorbereitet. Hierdurch kann eine Inhibierung von Oberflächen erzielt werden, welche komplizierte Formen und Krümmungen aufweisen, wie sie nicht leicht durch andere Mittel erreicht werden kann.

Die elastomere Verbindung, welche das Eindringen des Nitroglycerins in das Celluloseacetat verhindert,

dient auch dazu, letzteres in gewissem Grad für die hohen Temperaturen zu isolieren, die während des Abbrennens eines Raketenmotors auftreten. Dies unterstützt auch die Aufrechterhaltung der Festigkeit des Celluloseacetats und die Tatsache, daß praktisch kein Nitroglycerin durch das Cellulosederivat absorbiert wird, stellt sicher, daß Erweichungseffekte durch das Nitroglycerin nicht eintreten. Es wurde gefunden, daß die Zugfestigkeit von Celluloseacetat in der Größenordnung von 350 bis 490 kg/cm² liegt, wogegen bei einer fortgesetzten Lagerung in direktem Kontakt mit einem Doppelbasistreibmittel, bei der Nitroglycerin absorbiert wird, die Zugfestigkeit auf 70 kg/cm² herabgesetzt wird. Ohne Nitroglycerin ist die maximale Dehnung von Celluloseacetat 30 bis 40%, wogegen mit Nitroglycerin die Dehnung 50 bis 100% beträgt.

Zur Demonstration der Vorteile der Erfindung wurden feste Treibmittelkörner hergestellt, von denen einige durch Celluloseacetat alleine und andere durch die oben beschriebene Sperrschicht aus Celluloseacetat plus »Hypalon« inhibiert wurden. Nach einer drei Monate dauernden fortlaufenden Lagerung bei 60⁰C ergaben die nur durch Celluloseacetat beschichteten Körner beim Abbrennen in einem Raketenmotorgehäuse einen Fehlschlag, da die Festigkeit des Celluloseacetats und seine Brennbarkeit sich so sehr verändert hatten, daß das Celluloseacetat verbrannte und Teile des Celluloseacetats, welche durch das Abbrennen des festen Treibmittels ihre Stijtze verloren, von ihrer Lage fortbewegt wurden. Im Gegensatz hierzu konnten Körner, die als Sperrschicht Celluloseacetat plus »Hypalon« als zusammengesetztes Inhibierungsmittel enthielten, auch noch nach einer achtzehnmonatigen Lagerung bei 60⁰C vollständig erfolgreich abgefeuert werden.

Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf Raketenmotoren mit Patronenladung beschrieben, aber sie ist auch auf Raketenmotoren mit Gehäuseverbindung anwendbar. So hat ein Raketenmotor mit Gehäuseverbindung in typischer Weise eine zentrale Leitung, welche eine Verbindung der Brennflächen am Kopfende des Raktenmotors mit der Düse der Rakete ergibt. Mit der vorliegenden Erfindung kann eine Verbrennung der Oberflächen dieser Leitung erfolgreich verhindert werden.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Isolierung mit einer Zwischenschicht aus einer elastomeren Verbindung insbesondere für doppelbasige Treibsätze, dadurch gekennzeichnet, daß die gegen Abbrand zu isolierenden Oberflächen über Phenolformaldehyd/Polyvinylformal-Harz, mit Butylkautschuk, modifiziertem chlorosulfoniertem Polyäthylen oder modifizierten Äthylen/Propylen-Terpolymeren beschichtet sind und auf diese Zwischenschicht ein an sich bekannter geformter Celluloseester oder -äther wie Celluloseacetat oder Äthylcellulose mittels Phenol/Formaldehyd-Harz, Epoxyharz oder Polyesterharz aufgeklebt ist.

2. Verfahren zur Herstellung eines mit einer Isolierung versehenen Treibsatzes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einen Formkörper, bestehend aus der Zwischenschicht und der mit ihr durch den Klebstoff verbundenen Celluloseesterschicht die Treibsatzladung eingebracht bzw. eingegossen wird.