DE19540378C1

DE19540378C1 - Freigabevorrichtung für Raketentreibstoffleitungen

Info

Publication number: DE19540378C1
Application number: DE19540378A
Authority: DE
Inventors: Arno Dipl Ing Voit; Guenter Dipl Ing Langel
Original assignee: Daimler Benz Aerospace AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1995-10-30
Filing date: 1995-10-30
Publication date: 1997-01-23
Anticipated expiration: 2015-10-31
Also published as: US5865207A; FR2740510B1; FR2740510A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Freigabevorrichtung für Raketentreibstoffleitungen, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Freigabevorrichtungen nach dem Berstprinzip, welche einen Strömungsquer schnitt durch irreversiblen Materialbruch freigeben, sind aus einer Vielzahl von Veröffentlichungen bekannt.

So beschreibt die DE-AS 29 13 463 eine Kombination aus einer Berstfolien-Freigabevorrichtung und einem federbelasteten Sicherheitsventil zur Sicherung von Behältern, Rohrleitungen etc. gegen Überdruck. Die Berstfolienanordnung ist dem Sicherheitsventil nachgeschaltet, wobei der Strömungsweg austrittssei tig ins Freie führt. Die Elemente sind so abgestimmt, daß das Abscheren der Berstfolie etwa beim gleichen Überdruck erfolgt, wie das Öffnen des Sicher heitsventils gegen Federkraft. Die Berstfolienanordnung hat in dieser Kombi nation eigentlich nur die Aufgabe, das System bis zum Ansprechen des Sicher heitsventils absolut dicht zu halten. Ein vorteilhaftes Konstruktionsmerkmal ist darin zu sehen, daß die die Berstfolie einspannende, massive Berstscheibe (hier Teller genannt) im abgescherten Zustand nach axialer Verschiebung form schlüssig von einer Fangeinrichtung (Rastarme) festgehalten wird. Somit ver bleibt nach relativ kleinem Scheibenhub ein großer, definierter, widerstandsar mer Strömungsquerschnitt.

Das beschriebene Berstfolienprinzip hat jedoch auch Nachteile. Wie im Text ausdrücklich erwähnt wird, neigen Berstfolien dazu, beim Abscheren Bruch stücke zu bilden. Falls nun der anschließende Strömungsweg nicht ins Freie sondern zu weiteren Funktionselementen, wie Ventilen, Pumpen, Düsen etc., führt, können die Bruchstücke zu ernsthaften Störungen bis hin zum System versagen führen. Weiterhin weisen die durch Walzen hergestellten Folien rela tiv große Toleranzen bezüglich ihrer mechanischen Eigenschaften (Bruchfestig keit, Bruchdehnung etc.) auf, in Abhängigkeit vom Verformungsgrad bei der Herstellung. Nachteilig sind auch die hierbei erzeugten, unkalkulierbaren Ei genspannungen. Die Folieneinspannung zwischen massiven Bauteilen führt zu weiteren Eigenspannungen, so daß sich letztendlich relativ große Streuungen bei den Berstparametern (Druckdifferenz, Verformung etc.) ergeben. Aus Dichtheitsgründen werden die Folien meist mit den massiven Bauteilen ver schweißt, wodurch sich zusätzlich Eigenspannungen und -verformungen erge ben. All dies macht deutlich, daß ein relativ exakt kalkulierbares Bruchverhal ten mit Berstfolien in der Regel nicht erreichbar ist.

Berstfolien sind meist auch wenig beständig gegenüber aggressiven Medien, wobei sich die aus dem hohen Verformungsgrad resultierenden Gefügeverän derungen und Eigenspannungen nachteilig auswirken. Bei Ausführungen mit geschweißter Folie stellen die der Foliendicke entsprechend kleinen Schweiß nähte besonders korrosionsgefährdete Stellen dar. Letztlich bleibt noch anzu merken, daß die Berstfolienanordnung gemäß der fraglichen Auslegeschrift infolge der konstruktionsbedingten, doppelseitigen Kerbung ohnehin den örtli chen Korrosionsangriff begunstigt.

Die deutsche Patentschrift 24 27 790 beschreibt ein durch Sprengkraft auslös bares Freigabeventil für Druckbehälter. Hier wird das zu zerstörende Element (Bruchplatte) im Bereich einer Querschnittsschwächung durch Zünden einer umlaufenden Hohlladung durchtrennt. Da hier die Sprengkraft und nicht der Behälterinnendruck die Zerstörung bewirkt, kann mit relativ großen Wanddicken gearbeitet werden, welche bezüglich Korrosion unproblematisch sind, und auch die Materialeigenschaften des Bruchelementes spielen eine weniger be deutsame Rolle. Dem stehen die Nachteile gegenüber, daß eine solche Lösung in Verbindung mit brand- oder explosionsgefährlichen Medien, wie z. B. Rake tentreibstoffen, absolut ungeeignet ist und außerdem extreme Verunreinigungen (Bruchstücke, Sprengstoffreste etc.) im System erzeugt.

Die US-PS 3,842,598 beschreibt einen Raketenantrieb für militärische Flug körper, welcher für lange Lagerfähigkeit und schnelle Einsatzbereitschaft aus gelegt ist. Der Treibstofftank ist mit einem i.w. flüssigen, oxidatorarmen Brennstoff-/Oxidatorgemisch im Großteil seines Volumens befüllt. Er enthält weiterhin einen flexiblen, abgedichteten Behälter mit zusätzlichem Oxidator. Mittels Druckgas (Stickstoff) aus einem weiteren Tank wird der flexible Behäl ter im Einsatzfall zum Platzen gebracht, und der freigesetzte Oxidator im Treibstoffgemisch verteilt, wodurch ein hochenergetischer, stöchiometrischer Treibstoff entsteht. Dieser wird in einer nachgeschalteten Schubkammer ver brannt.

Zwischen dem Druckgastank und dem Treibstofftank sowie zwischen dem Treibstofftank und der Schubkammer ist aus Gründen der hermetischen Ab dichtung in der Lagerphase je eine Berstmembran angeordnet, wobei keine Hinweise über deren konstruktive Ausführung gegeben werden.

Aus der US-PS 3,714,777 ist ein Ventil mit Berstelement für ein Raketentreib stoffsystem bekannt, welches zusätzlich zum eigentlichen Absperrventil (isola tion valve) installiert ist. Der Treibstoff (hier: Oxidator) wird mittels Druckgas über eine dichte, flexible Membran bzw. Blase (expulsion bladder) aus dem Tank gedrückt. Bei einer zu großen Druckdifferenz vom Druckgas zum Oxida tor kann die Membran zerstört werden, und Druckgas gelangt ungewollt in das Treibstoffsystem. Das genannte Zusatzventil regelt den Differenzdruck auf ei nen zulässigen Maximalwert, indem der Oxidatorstrom automatisch mehr oder weniger gedrosselt wird. Das Berstelement wird zu Beginn der Betriebsphase durch den Oxidatordruck zerstört und gibt eine Druckgasleitung für den Regel vorgang frei.

Auch auf die Konstruktionen aus diesen US-Patentschriften treffen die ein gangs erläuterten Nachteile, wie ungenaues Ansprechverhalten, Betriebsstö rungen durch Bruchstücke etc., zu.

Angesichts dieser bekannten Lösungen und ihrer Nachteile besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Freigabevorrichtung nach dem Berstprinzip für Rake tentreibstoffleitungen zu schaffen, welche vor ihrer Aktivierung den Treibstoff zuverlässig und hermetisch von stromabwärtigen Funktionselementen fernhält, welche bei relativ genau vorgebbarem Berstdruck (Druckdifferenz) sicher öff net, welche auf konstruktiv einfachem Weg eine Anpassung des Berstdruckes an verschiedene Systembedingungen ermöglicht, welche bei kleinem Einbauvo lumen geringe, reproduzierbare Strömungsverluste mit tolerierbaren "Wasser schlagerscheinungen" verursacht und welche relativ einfach und preiswert her stellbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 ge nannten Merkmale gelöst, in Verbindung mit den gattungsbildenden Merkma len in dessen Oberbegriff.

Das Berstelement ist aus zwei jeweils integralen Teilen durch Schweißen zu sammengefügt, wobei das eine Teil (Scheibe mit Einspannflansch und Soll bruchstelle) die eigentliche Dicht- und Berstfunktion, das andere Teil (Füh rungsstange mit Scheibensitz) die Führungsfunktion beim Öffnen nach dem Bersten übernimmt. Die spanabhebende Herstellung der Scheibe mit Ein spannflansch und Sollbruchstelle aus kaltverformtem Plattenmaterial ermög licht ein reproduzierbares, relativ sprödes Bruchverhalten mit geringer Bruch dehnung trotz niedriger Bruchfestigkeit des Werkstoffes. Das gewählte, kalt verformte Plattenmaterial weist ein sehr gleichmäßiges, feinkörniges Gefüge mit nur geringfügig streuenden Werkstoffkennwerten auf. Dadurch sowie in folge der Kaltverfestigung bricht es bei definierten Belastungen relativ spontan, gleichmäßig und spröde ohne nennenswerte Verformungen. Bruchstückbildung bzw. Partikelentstehung wird durch eine ausreichende Restduktilität im Nut grund weitestgehend vermieden. Die Sollbruchstelle reißt i.w. gleichzeitig am gesamten Umfang, so daß ein Verkanten oder Verbiegen praktisch ausgeschlos sen ist. Die Feinkörnigkeit und Gleichmäßigkeit des Gefüges ermöglicht auch eine ausreichende Korrosionsbeständigkeit im Bereich der geringsten Materi aldicke, welche beispielsweise nur einen bis wenige Zehntelmillimeter beträgt. Die Verbindungsschweißnaht liegt im Bereich großer Materialdicke, ist reich lich dimensioniert und bildet somit weder festigkeitsmäßig noch in Bezug auf Korrosion ein Problem.

Die spanabhebende Bearbeitung der zu verschweißenden Teile gewährleistet eine ausreichende Maßgenauigkeit und Oberflächengüte bei mäßigem Ferti gungsaufwand.

Da die Führungsstange keine Sollbruchstelle aufweist, entfallen die diesbezüg lich bei der Scheibe genannten Anforderungen wie niedrige Bruchdehnung, Bruchfestigkeit etc . . Abgesehen von Maßgenauigkeit und guter Schweißbarkeit soll sich die Führungsstange im Betrieb weder plastisch noch zu sehr elastisch verformen, um Schwergängigkeit oder Klemmen in den zugeordneten Führun gen zu vermeiden. Von daher ist sie aus einem in Relation zur Scheibe zumin dest gleichfesten, eher jedoch höherfesten Werkstoff gefertigt, wobei sich Stangenmaterial mit wenig Durchmesser-Übermaß als Halbzeug anbietet. Auch hier ist eine ausreichende chemische Beständigkeit gegenüber dem jeweiligen Treibstoff, ggf. verbesserbar durch Oberflächenbehandlung, zu beachten.

Die Sollbruchstelle ist ebenfalls spanabhebend gefertigt, wobei die Ausführung als einseitige Kerbe auf der tankabgewandten Seite sowohl die Fertigung ver einfacht als auch durch die Glattflächigkeit auf der - bereits vor Aktivierung - treibstoffbeaufschlagten Seite korrosivem Angriff erheblich besser widersteht.

Die Unteransprüche 2 bis 7 enthalten bevorzugte Ausgestaltungen der Freiga bevorrichtung nach dem Hauptanspruch.

Die Erfindung wird anschließend anhand der Figur noch näher erläutert. Diese zeigt eine Freigabevorrichtung 1, welche in einem Gehäuse 13 mit einem Ab sperrventil 12 zu einer Funktionseinheit zusammengefaßt ist. Die Funktions einheit ist Teil einer - nicht dargestellten - Raketentreibstoffleitung und ist spe ziell für hypergol reagierende und chemisch aggressive Treibstoffe ausgelegt. Im Betrieb tritt der Treibstoff bei der dargestellten Ausführung horizontal von rechts nach links in das Gehäuse 3 ein, wird im Bereich des Absperrventiles 12 um 90° umgelenkt und tritt schließlich vertikal nach unten aus dem Gehäuse 13 aus. Stromaufwärts der gezeigten Einheit muß man sich einen Treibstofftank vorstellen, welcher im befüllten Zustand durch Druckbeaufschlagung aktiviert wird, beispielsweise aus einem Inertgasspeicher. Stromabwärts der gezeigten Einheit wird mindestens ein Raketentriebwerk angeordnet sein, welches mit dem Treibstoff versorgt wird.

Die Funktion der Freigabevorrichtung 1 besteht zunächst darin, den tankseitig anstehenden Treibstoff hermetisch von allen nachgeordneten Systemelementen, einschließlich dem Absperrventil 12, fernzuhalten, um das gesamte Treibstoff- und Antriebssystem in einem passiven, aber jederzeit einsatzfähigen Zustand zu halten und um Korrosionsschäden und damit Funktionsstörungen zu vermei den. Die Erfindung ist somit insbesondere für Antriebssysteme geeignet, wel che über längere Zeiträume passiv bzw. lagerfähig aber dabei schnell aktivier bar sein sollen. Dies macht sie auch für militärische Anwendungen interessant. Die weitere Funktion der Freigabevorrichtung 1 besteht darin, bei einer defi nierten Druckdifferenz zwischen Tank- und Triebwerksseite, in der Figur mit "Δρ" und Pfeil angedeutet, schnell und zuverlässig den Strömungsweg für den Treibstoff freizugeben. Dabei sollen möglichst keine Fremdkörper bzw. Verun reinigungen in den Treibstoff gelangen, weiterhin soll die Strömung den Be reich der Freigabevorrichtung 1 möglichst verlustarm durchlaufen.

Das "Kernstück" der Freigabevorrichtung 1 wird vom Berstelement 2 gebildet, welches aus der Scheibe 3 mit Sollbruchstelle 4 und Einspannflansch 5 sowie aus der Führungsstange 6 mit Sitz 7 für die Scheibe 3 besteht. Die Scheibe 3 ist mit der Führungsstange 6 stoffschlüssig durch Schweißen verbunden, so daß erstere aus kaltverformtem Plattenmaterial, letztere aus gleich- oder höherfe stem Rundmaterial herstellbar ist, wodurch ein optimales Bruchverhalten mit guten mechanischen Eigenschaften kombinierbar ist. Aus Gewichtsgründen werden schweißbare Leichtmetalle, z. B. Aluminium-Magnesium-Legierungen, bevorzugt, wobei alle Oberflächen vorzugsweise durch Drehen bearbeitet wer den. Die Sollbruchstelle 4 ist als einseitige Kerbe auf der - zunächst - treib stoffabgewandten Seite des Berstelementes 2 ausgeführt, um Korrosionsschä den in diesem kritischsten Bereich auszuschließen. Bei Aluminiumlegierungen kann die Korrosionsbeständigkeit durch allseitiges Gelbchromatieren noch deutlich erhöht werden. Die Endbearbeitung der Kerbe und der gegenüberlie genden, tankseitigen Planfläche erfolgt in vorteilhafter Weise - nach Vorbear beitung durch übliches Drehen - durch Hochgeschwindigkeitsdrehen mit Dia mantwerkzeug, wodurch sich optimale Maß- und Formgenauigkeiten sowie Oberflächengüten reproduzierbar erzielen lassen. Dies ist wichtig im Hinblick darauf, daß die minimale Wandstärke im Bereich der Sollbruchstelle 4 bei spielsweise nur etwa einen Zehntelmillimeter beträgt.

Das Berstelement 2 führt nach Bruch eine begrenzte axiale Hubbewegung aus und ist dafür beidseitig in entsprechenden Aufnahmebohrungen für die Füh rungsstange 6 beweglich gelagert. Die Hubbewegung wird in der aktiven, offe nen Stellung durch einen Fangkorb 9 begrenzt, welcher die Scheibe 3 dann mit tels einer oder mehrerer Rückhaltefedern 11 in dieser Position formschlüssig fixiert. So werden ungewollte, z. B. beschleunigungsbedingte, Axialbewegun gen und dadurch Strömungsänderungen vermieden. Die fixierte Stellung ist in der Figur strichpunktiert wiedergegeben. Der Fangkorb 9 ist zumindest am Umfang mit mehreren, ausreichend großen Öffnungen 10 versehen, welche den Treibstoff ungehindert durchfließen lassen. Außerdem zentriert der Fangkorb 9 den stromabwärtigen Teil der Führungsstange 6.

Somit zeichnet sich die erfindungsgemäße Freigabevorrichtung durch ein zu verlässiges, hermetisches Dichtungsverhalten, ein sicheres, reproduzierbares und schnelles Öffnungsverhalten, minimale Strömungsverluste, geringen Platz bedarf sowie durch das Vermeiden von "Wasserschlageffekten" und einer "Verunreinigung" des Treibstoffes aus. Außerdem ist die Freigabevorrichtung durch geometrische sowie werkstoffmäßige Variation hauptsächlich des Berst elementes relativ einfach und problemlos an geänderte Betriebsparameter an paßbar. Auch ihre Herstellung als solche ist relativ einfach und preiswert.

Bezugszeichenliste

1 Freigabevorrichtung
2 Berstelement
3 Scheibe
4 Sollbruchstelle
5 Einspannflansch
6 Führungsstange
7 Sitz
8 Schweißnaht
9 Fangkorb
10 Öffnung
11 Rückhaltefeder
12 Absperrventil
13 Gehäuse

Claims

1. Freigabevorrichtung für Raketentreibstoffleitungen, insbesondere Lei tungen für hypergole, chemisch aggressive Raketentreibstoffe wie MMH (Mo nomethylhydrazin) und N₂O₄ (Distickstofftetroxid), im Bereich zwischen min destens einem Tankauslaß und mindestens einem nachgeschalteten Absperr ventil, welche bei definiertem, tankseitigem Überdruck den Strömungsweg durch irreversiblen Materialbruch freigibt, mit einem kolbenartigen Berstele ment, welches aus einer Scheibe, einer am Scheibenrand umlaufenden Soll bruchstelle, einer scheibenfesten, mittigen Führungsstange und einem die Soll bruchstelle umschließenden Einspannflansch besteht, sowie mit einem die Scheibe nach Bruch und Axialverschiebung formschlüssig festhaltenden, strö mungswiderstandsarmen Fangkorb, wobei das Berstelement zumindest über längere Zeit gegenüber dem jeweiligen Treibstoff chemisch beständig ist, da durch gekennzeichnet,
daß das Berstelement (2) durch Schweißen (Schweißnaht 8) stoffschlüssig aus zwei Teilen zusammengefügt ist, wobei die Scheibe (3) mit Einspannflansch (5) und Sollbruchstelle (4) das eine Teil, die Führungsstange (6) mit Sitz (7) für die Scheibe (3) das andere Teil bildet,
daß die Scheibe (3) mit Einspannflansch (5) spanabhebend aus kaltverformtem Plattenmaterial eines Werkstoffes mit relativ niedriger Bruchfestigkeit und gu ter Schweißbarkeit hergestellt ist,
daß die Führungsstange (6) mit Sitz (7) für die Scheibe (3) spanabhebend aus Stangenmaterial des für die Scheibe (3) verwendeten Werkstoffes oder eines höherfesten Werkstoffes mit guter Schweißbarkeit hergestellt ist, und
daß die Sollbruchstelle (4) spanabhebend als einseitige Kerbe auf der tankab gewandten Seite des Berstelementes (2) gefertigt ist.

2. Freigabevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (3) mit Einspannflansch (5) aus einer nicht-aushärtbaren Alumini um-Magnesium-Legierung, die Führungsstange (6) mit Sitz (7) aus der gleichen Legierung oder vorzugsweise einer aushärtbaren Legierung auf Aluminiumba sis besteht.

3. Freigabevorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Berstelement (2) allseitig durch Gelbchromatieren beschichtet und somit passiviert ist.

4. Freigabevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile des Berstelementes aus rostfreiem Stahl bestehen.

5. Freigabevorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile des Berstelementes (2) als Drehteile ausgeführt sind.

6. Freigabevorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kerbe (Sollbruchstelle 4) und zumindest der dieser gegenüberliegende, tankseitige Oberflächenbereich der Scheibe (3) durch Hochgeschwindigkeits drehen mit Diamantwerkzeug auf Endmaß und Endoberflächengüte gefertigt sind.

7. Freigabevorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß diese (1) mit dem nachgeordneten Absperr ventil (12) zu einer Funktionseinheit (Gehäuse 13) zusammengefaßt ist.