DE2040135A1

DE2040135A1 - Steuersystem fuer Raketenmotoren

Info

Publication number: DE2040135A1
Application number: DE19702040135
Authority: DE
Inventors: Brian Burgess; Thorp Geoffrey Philip
Original assignee: Imperial Metal Industries Kynoch Ltd
Current assignee: Imperial Metal Industries Kynoch Ltd
Priority date: 1969-08-12
Filing date: 1970-08-12
Publication date: 1971-02-25
Also published as: NO130026B; FR2058224B1; DE2040134B2; DE2040135C3; DE2040134C3; DE2040134A1; CH514781A; SE375954B; FR2058224A1; FR2058223A1; CH516738A; JPS5012839B1; FR2058223B1; DE2040135B2

Description

PATENTANWÄLTE

Dipi..chem. Dr. D. Thomsen

. G. Bühüng

H- Tiedtke

MÜNCHEN 2

TAL 33

TEL. 0311/226804 295051

CABLES: THOPATENT TELEX: FOLGT

L-ing. W. Weinkauff

FRANKFURT (MAIN) 50 FUCHSHOHL 71

TEL. 6611/51X666

Antwort erbeten nach: Please reply to:

8000 München 2*2. August 19 70 T 3770 / case M.22118A/22355A

Imperial Metal Industries (Kynoch) Limited Birmingham, Großbritannien

Steuersystem für Raketenmotoren

Die Erfindung bezieht sich auf Steuersysteme für Raketenmotoren und insbesondere auf Schubvektor-Steuerungssysteme, bei denen die Schubdüse des Raketenmotors mit Staublättern zur Änderung des Schubvektors versehen ist, wodurch die Flugrichtung des Motors gesteuert wird.

Staublätter haben gewöhnlich die Form flacher Platten, die radial zur Längsachse der Schubdüse bewegt werden, so daß ein Teil jedes Blattes, das eine gerade Schubgas-Eintrittskante besitzt, in den Weg der durch die Düse laufenden Schubgase ge-

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taucht wird, um einen Teil der DQsenaustrittsflache zu sperren. Die Wirkung eines so in den Weg der Schubgase gestellten Stau- · blattes besteht darin, daß eine schräge Druckwelle innerhalb des Düsen-Expancionskegels erzeugt wird. Der sich aus der Druckwelle ergebende Druck ruft ein Drehmoment an der dem Staublatt benachbarten Düsenwand hervor und dirigiert damit die Rakete in einen entsprechenden gekrümmten Weg.

■ Bekannte Arten von Staublättern haben gerade Eintrittskanten, d.' '■ beim Gebrauch eine Sehnenlage über die Austrittsöffnung der Düse einnehmen. Die Enden der Staublätter sind abgeschrägt, um ein Zusammenwirken benachbarter Staublätter zu ermöglichen, wenn diese sich in voll eingesetzter Stellung befinden, d..h. eine große Flächensperrung bewirken. Da normalerweise ein Staublatt durch schwenken um einen Punkt außerhalb des Düsenausgangs befestigt ist^Lst die Form des Staublattes, das in den Schubgasstrom während der Anfangsstufe des Eintretens gelangt, unsymmetrisch zu einer radialen Ebene durch das Druckzentrum des eingetauchten Teils des Staublattes,so daß ein Drehmoment erzeugt wird, das dazu neigt, den Motor um seine Achse zu drehen.

Ein symmetrisches Einführen der Staublätter kann durch radiales Einsetzen der Staublätter in linearer V/eise anstelle von bogenförmiger Weise oder durch derartige Anordnung des Schwenkpunktes erreddxt werden ,daß der radiale Arm im Vergleich zu der Bewegung der Staublätter sehr groß ist. Im ersten Fall würde die lineare Bewegung den Aufbau der Betätigungseinrichtung unvermeidbar vtr-

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komplizieren, und im zweiten Fall würde sich der Schwenkpunkt außerhalb des maximalen Durchmessers eines gegebenen Raketenmotors befinden.

Erfindungsgemäß umfaßt ein schwenkbares Staublatt für ein Schubvektor-Steuersystem für einen Raketenmotor eine nichtlineare Schub gas-Eintrittskante deren Bewegung über die Austrittsöffnung einer Schubdüse des Motors beim teilweisen Hineinragen in diese Ausgangsöffnung einen Staublatteil bildet₉ der symmetrisch zu einer durch das Druckzentrum des Staublatteiis gehende^ Ebene ist. ■

Vorzugsweise ist die Eintritts kante des Staublattes konvex und besitzt weiterhin vorteilhafterweise die Form eines Kreisbogens.

Ein Radius, der dem der Austritts öffnung der Schub- ^: düse des Raketenmotors entspricht, ist für die EintrütSKante vorteilhaft* .

Die Erfindung umfaßt weiterhin eine Schubdüsenanordnung für einen Raketenmotor, die zumindest ein Staublatt mit den im vorhergehenden beschriebenen Merkmalen aufweist.

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Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer

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Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine schaubildliche Teilansicht einer Schubdüsenanordnung eines Raketenmotors mit zwei Staublättern in Arbeitsstellung;

Fig. 2 zeigt eine teilweise geschnittene Vorderansicht eines Staublattes und seine zugehörige Spindel;

Fig. 3 zeigt eine Schnittansicht nach Linie 3-3 in Fig. 2;

Fig. 4 zeigt eine Draufsicht eines Staublattes nach Fig. 2;

Fig. 5 zeigt eine Endansicht der mit vier Staublättern versehenen Schubdüse, wobei ein Staublatt sich in Arbeitsstellung befindet;

Fig. 6 zeigt eine Darstellung der Vorwärtsbewegung

der Eintrittskante eines Staublattes über die Schubdüse.

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Fig. 7 zeigt eine schematische Ansicht eines

bekannten Staublattes mit einer geradlinigen Eingangskante und veranschaulicht deren Nach- ■ teil.

Uie in den Fig. 1 bis 4 dargestellt, besitzt eine Schubdüse 10 eines Raketenmotors öine DÜsenaustrittsöffnung 11. 'Auf dem rückwärtigen Ende der Düse 10 sind vier Staublätter 12 angeordnet; jedes Blatt weist erfindungsgemäß ein Schubgas» Pralielenient 13, ein Stützglied 14 und eine isolierende

Zwischenschicht 15 auf.

Das Prallelement 13,ist aus Molybdän gebildet und umfaßt einen beilförmigen Teil IB₉ der eine konvexe Schubgas-Eint'rittsJcante 17 und einen Schaft 18 besitzt. Die Schubgaskante bildet einen Kreisbogen, dessen Radius der gleiche wie der der Düsenöffnung ist. Eine ebene Fläche 19 des PrallelemeniS'lS bildet eine Schubgas· TPralloberfläche^ und an dem Schaft 18 ist eine aus der Fläche 19 hervorstehende kreisförmige Ausladung 20 .gebildet. Die Ausladung und der Schaft sind durchbohrt_f um eine öffnung 21 zu bilden. Die konvexe Kante 17 ist, wie bei 23 abgeschrägt, und unmittelbar hinter der Abschrägung ist der verbleibende Teil des Elements in der Stänke verringert, um eine Stufe 24 zu bilden.

Das Stützglied 14 ist aus einem hochfestem Stahl 109809/027A

(95 - 110 Kg/mm entsprechend 60-70 englische Tonnen/englische Quadratzoll-Zugfestigkeit) gebildet und entspricht mit Ausnahme des abgeschrägten Teils 2 3 allgemein der Form des Prallelements 13. Die untere Oberfläche des Stützgliedes IU ist ausgespart, um eine Stufe 2 5 zu bilden, die sich neben einem Ende und einer Seite des Stützgliedes, wie in Fig. U in gestrichelter Linie dargestellt, erstreckt. Neben einem Ende des Stützgliedes IU hängt eine Spindel 2 6 von der unteren Oberfläche des Stützgliedes rechtwinklig herab.

Die Isolierschicht 15 ist aus "Durestos", einem Phenolasbest gebildet und besitzt einen Körperteil 27, einen Randteil 28, der sich seitlich an einer Seite und einem Ende des Körperteils 27 erstreckt und eine ringförmige Ausladung 29, die eine derartige Außenabnessung besitzt, daß sie in die Öffnung 21 in dem Prallelement 13 paßt. Die Isolierschicht 15 ist derart geformt, daß sie den gegenüberliegenden abgestuften Oberflächen des Prallelements 13 und des Stützgliedes IU entspricht, so daß sie zwischen diesen liegt, wie in Fig. 3 und in dem geschnittenen Teil von Fig. 2 dargestellt ist.

Die Isolierschicht 15 ist bei 30 durchgebohrt,um die Spindel 26 des Stützgliedes IU aufzunehmen.

Das Prallelement 13, die Isolierschicht 15 und das Stützglied IU sind mit'e Ii drei aus Molybdän bestehenden Senk-

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schrauben 31 zusammengefügt und ebenfalls mit Bakelitharz J. 11185 zusammengeklebt, das bei 15O°G für 1 1/2 Stunden gehärtet wurde»

In einem typischen Anwendungsfalle der vorstehend beschriebenen Staublätter sind die vier Staublätter In gleichen Winkelstellungen auf der Schubdüse 10 (FIg. 1 und S) eines Festtreibstoff-Raketenmotors eines Flugkörpers angeordnet,, der einen mittleren axialen Schub von 800 Kg. f. (im englischen Maßs 1800 Ib.f.) hat. Zur Vereinfachung und Veranschaulichung der Konstruktion der Staublätter sind In FIg. 1 nur zwei von vier Staublättern dargestellt. ■

Die Spindel 26 jedes Staublattes ist In einem geeigneten Lager 34 (Fig. 2) neben der Austrittsöffnung der Schubdüse angeordnet und erstreckt sich durch dieses. Der von dem Staublatt abgewandte Endteil jeder Spindel,, der durch deren Lager 34 hindurchragt, ist mit einer Betätigungseinrichtung (nicht dargestellt) verbunden, die der Spindel und damit dem zugehörigen Staublatt eine gewünschte Drehbewegung erteilt. Die vier Staublätter sind serienmäßig um die Düse 10 herum angeordnet, so daß die konvexe Kante jedes Staublattes radial zur Düse bewegbar ist. Wie in Fig. 5 dargestellt, rart das mit 12a bezeichnete Staublatt teilweise in die Düsenaustrittsöffnung 11 hinein, während sich die drei anderen Staublätter in ihrer zurückgezogenen Stellung befinden, in der ihre Ein tritt Sicant en radial außerhalb der Öffnung 11 liegen. Wenn der Raketenmotor gezündet wird, können ein oder mehrere Staublätter bewegt werden, um

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einen größeren oder kleineren Eintauchgrad des Staublattes in den Strom der Schubgase herbeizuführen. Dadurch kann der sich aus der Druckwelle ergebende Druck auf die Wand der Düse derart geändert werden, daß das sich ergebende Drehmoment die Rakete längs eines vorbestimmten gekrümmten V/eges dirigiert.

Durch die nicht lineare Art der Eintritts kante 17 jedes Staublattes können die Staublätter derart geformt werden, daß der Teil jedes Staublattes, der in die Öffnung 11 hineinragt und in den Schubgasstrom eingetaucht ist, im wesentlichen symmetrisch bezüglich einer durch das Druckzentrum ■ des eingetauchten Teils gehenden radialen Ebene der Düse ist. Fig. 6 veranschaulicht die Vorwärtsbewegung der gekrümmten Kante 17 eines Staublattes über die Düsenöffnung 11 in Abhängigkeit von der Winkelbewegung θ des Staublattes über 36°. Daraus ist ersichtlich, daß der eingetauchte Teil des Staublattes im wesentlichen symmetrisch bezüglich einer durch das Druckzentrum des eingetauchten Teils gehenden radialen Ebene 35 der Öffnung ist.

Mit der vorstehend beschriebenen Staublattform tritt die durch Eintauchung der gekrümmten Staublattkante erzeugte anfängliche seitliche Kraft auf die Düse in einer Stellung von etwa 12° von der Radialebene 35 auf.

Es hat sich weiterhin ergeben, daß die seitliche

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Kraft in der radialen Ebene eine im wesentlichen lineare Beziehung zu der Winkelbewegung des Staublattes hat. Für Vergleichs zwecke ist in Fig. 7 ein Staublatt 40 mit einer geradlinigen Eintrittskante 41 dargestellt, daß auf einer Schubdüse 10 angeordnet ist. Die Kante 41 verbindet zwei abgeschrägte Enden 42, 43 des Staublattes, und die durch die Kante 41 und das Ende 42 gebildete stumpfe Ecke ist mit der Bezugsziffer bezeichnet, .

Wenn das Staublatt (wie mit der gestrichelten Linie dargestellt) voll in den von der Düse ausgesandten Schubgasstrom eingetaucht ist, ist die Eintrittsjcante 41 normal zu. der radialen Ebene 18, die durch das Druckzentrum des eingetauch-.ten Teils des Staublattes geht. Das btaublatt ist nur in dieser vollen Eintauchstellung symmetrisch bezüglich solch einer radialen Ebene. In allen anderen Stellungen des Staublattes ist die Form des eingetauchten Teils unsymmetrisch, wie dies beispielsweise gemäß der schraffierten Fläche des Staublatts in Fig. 7 der. Fall ist.

Weiterhin wird beim Beginn des Eintauchens des Stau-'blattes die anfängliche seitliche Kraft in einem Winkel von etwa 20° von der radialen Ebene 18 im Vergleich zu der 12°-Stel- lung erzeugt, die mit dem vorstehend beschriebenen Staublatt mit gekrümmter Kante erhalten wird.

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Claims

Patentansprüche

f 1.)Schwenkbares Staublatt für ein Schubvektor-Steuersystem für einen Raketenmotor, gekennzeichnet durch eine nicht lineare Schubgas-Eirrtrittskante (17), deren Bewegung über die Austrittsöffnung CIl) einer Schubdüse (10) des Motors beim teilweisen Hineinragen in diese Austrittsöffnung einen Staublatteil bildet, der symmetrisch über eine durch das Druckzentrum des Staublattes gehende Ebene (35) ist.

2. Staublatt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, die die Eintrittskante (17) konvex ist.

3. Staublatt nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittskante (17) einen Kreisbogen bildet.

U. Staublatt nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsradius der .Eintrittskante (17) dem Radius ,

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der Austrittsöffnung (11) der Schubdüse (10) des Raketenmotors entspricht.

5. Schubdüsenanordnung für einen Raketenmotor, gekennzeichnet durch zumindest ein Staublatt (12) nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4.