DE19540378C1 - Freigabevorrichtung für Raketentreibstoffleitungen - Google Patents
Freigabevorrichtung für RaketentreibstoffleitungenInfo
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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
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 (7)
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.
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.
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D1 | Grant (no unexamined application published) patent law 81 | ||
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Owner name: DAIMLERCHRYSLER AEROSPACE AKTIENGESELLSCHAFT, 8099 |
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Owner name: DAIMLERCHRYSLER AEROSPACE AG, 85521 OTTOBRUNN, DE |
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