DE2431982C2 - Gasgenerator mit einer festen Propergolladung sowie dessen Verwendung - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft Gasgeneratoren, die mit einer aus einem oder mehreren Elementen bestehenden festen, insbesondere homogenen Propergolladung mit kurzer Verbrennungsdauer (unter 03 Sekunden) betrieben werden, wobei diese Ladung in der Verbrennungskammer eines solchen Gasgenerators mittels eines nachstehend Fundament genannten Trägers fixiert wird. Ein solches Fundament kann an eine feste Propergolladung mit den verschiedensten Formen angepaßt werden: aus einem Block bestehende Ladung, aus Strängen oder Lamellen bestehende Ladung, aus kompakten oder hohlen zylindrischen Blöcken bestehende Ladung, bandförmige Ladungen (eben oder gewellt), usw.

Im folgenden wird der Ausdruck Propergol-»Element« in einem sehr allgemeinen Sinn angewendet, und zwar im Sinne eines Propergol-Elementarblocks, der Bestandteil einer Treibladung mit einer der vorstehenden Konfigurationen ist.

Als nicht begrenzende Beispiele für die Verwendung der obigen Gasgeneratoren kann man die Geschosse oder Raketen erwähnen, deren Antriebsmittel besondere Gasgeneratoren sind, die mit festen Propergolladungen betriebenen, rückstoßfreien Geschütze oder Waffen, bestimmte Druckvorrichtungen, wie sie für den Flüssigkeitsausstoß insbesondere in großen Flugkörpern verwendet werden, die Schlitten für Beschleunigungsrampen, usw.

Es sei betont, daß der Einbau des oder der Propergol-Elemente in das Fundament so gut wie möglich erfolgen muß, so daß die Propergol-Elemente untereinander und in bezug auf die Wände der Verbrennungskammer sowohl während der passiven als auch während der aktiven Lebensdauer der Ladung sicher gehalten werden. Während der passiven Zeit muß die Struktur der Treibladung nicht nur gegenüber Schocks während verschiedener Beanspruchungen (klimatische und mechanische) der Treibladung ausreichend stabil sein, d. h. die Verankerung der Propergol-Elemente muß eine bestimmte Elastizität aufweisen, sondern ihre mechanischen und physikalisch-chemischen Eigenschaften müssen sowohl im Bereich der Betriebstemperaturen dieser Ladungen als auch über einen längeren Zeitraum konstant sein. Während der aktiven Zeit der Ladung muß verhindert werden, daß im Augenblick der Zündung der Gasstrom nicht in gewissen Fällen eine Beeinträchtigung der Treibladung, d. h. die Bildung unverbrannter Stoffe bewirkt, die die Leistung des Antriebs verringern. Gegebenenfalls soll die Treibladung auch die hohen Beschleunigungen zu Beginn des Generatorbetriebs unterhalten.

Man kennt verschiedene Arten von Fundamenten für Ptopergolblöcke, die sich meistens durch ihre an die Form der Treibladung angepaßte Struktur, jedoch vor allem durch ihre Zusammensetzung unterscheiden. Diese verschiedenen Fundamente erfüllen mehr oder weniger die vorstehend angegebenen Aufgaben.

In der US-Patentschrift 2502 458 ist beispielsweise ein Fundament aus einem härtbaren, sich agglomerierenden Material, beispielsweise gebranntem oder Spargips, vorgeschlagen.

Die FR-Patentschrift 20 67 914 beschreibt ein Verfahren zum Kleben oder Zusammenbauen von Propergolblocks über einen sehr beträchtlichen Teil ihrer Länge und auf der nicht verbrennenden Seite dieser Blöcke mittels eines Kunststoffs. 2. B. einer Mischung aus Harz und Glasfaser oder einer Mischung aus Harz und Asbest

Außerdem wurde bereits oft die Verwendung von Kunststoff auf der Basis von Poi/eMer vorgeschlagen. Beispielsweise nennt die FR-Patentschrift 20 61 802 ein vorzugsweise brennbares Mittel zur Befestigung der Propergol-Elemente einer in einer Mikro-Zündrakete verwendeten Ladung. Die Propergol-Elemente werden in dem Vorpolymerisat, das man aushärten läßt, gehalten. In der FR-Patentschrift 13 51 422 besteht die Treibladung einer Rakete aus kleinen Propergolrohren, die ein festes »Bündel« bilden und an ihrem vorderen Ende in einen armierten Block aus Polyester oder Phenoplast eingebettet sind.

Schließlich kennt man einen Treibblock, der aus profilierten Zündstoffbändern besteht, auf deren einen Ende ein Fundament aus Polyesterharz zur Befestigung dieses Blocks in der Verbrennungskammer eines Antriebs gegossen wurde.

Wenn für den Zusammenbau der Propergol-Elemente ein einziges Fundament nicht ausreichte, war man gezwungen, mindestens zwei Fundamente zu verwenden, beispielsweise an jedem der Enden der Elemente, oder man mußte zusätzliche mechanische Befestigungsmittel zur Fixierung der Elemente untereinander, z. B. elastische, das Bündel aus Elementen umfassende Reifen oder starre Verstrebungen zwischen den Elementen verwenden.

Die vorstehend aufgezählten Vorrichtungen besitzen die folgenden Nachteile: die verwendeten »Klebstoffe« besitzen kein zufriedenstellendes Temperaturverhalten: wesentliche Änderungen ihrer mechanischen Eigenschaften begrenzen die Verwendung. Beispielsweise

sind sie in der Kälte zu starr, was zu einem Bruch der Propergol-Elemente der Treibladung führt. Diese Vorrichtungen sind manchmal zeitlich instabil und verändern ihre ballistischen und physikalischen Eigenschaften durch Absorption des Nitroglycerins oder der meistens in den Propergolen enthaltenen, durch den das Fundament bildenden Kunststoff eingebrachten Weichmacher. Außerdem besteht oft eine chemische Unverträglichkeit zwischen den gewählten Kunststoffen und den festen Propergolen. Schließlich erzielt man keine restlose Haftung gleichzeitig zwischen dem Fundament und den Propergol-EIementen einerseits und zwischen dem Fundament und den Wänden oder dem Boden der Verbrennungskammer andererseits.

Es wurde nun gefunden, daß Siliconelastomere als Basismaterial für ein Fundament die vorstehend angeführten Forderungen erfüllen.

Die Siliconelastomeren sind bekannt und befinden sich meistens in einer fließfähigen Form zur Herstellung von Umhüllungen sowie als Form- oder Gießmassen im Handel. Sie werden auch als Abdruckmassen und Wärtneisoliermaterialien verwendet Kürzlich wurde die Verwendung eines Anstrichs aus einem gefüllten Siliconelastomeren als feuerfester Anstrich oder Inhibitor für Propergol-Elemente empfohlen, wobei die PropergolElemente oberflächlich teilweise mit diesem Anstrich versehen wurden, um so die Regelung ihrer Verbrennung nach einem vorherbestimmten Gesetz und die Änderung der Gasemission zeitabhängig steuern zu können.

Die Erfindung betrifft einen Gasgenerator mit einer aus einem oder mehreren Elementen bestehenden festen, insbesondere homogenen Propergolladung, der ein Fundament aus einem Kunststoff oder einem Elastomeren für den Zusammenhalt der Elemente und/oder die Befestigung des Treibsatzes in der Verbrennungskammer des Gasgenerators aufweist, der dadurch gekennzeichnet ist, daß das Elastomere ein Siliconelastomeres ist.

Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung dieses Gasgenerators zum Antrieb von Flugkörpern, insbesondere Geschossen oder Raketen.

Die Ladung kann in dem Fundament an einer Randzone verankert werden und die die vorzugsweise homogene Treibladung bildenden festen Propergol-Elemente könrjn mindestens teilweise ft it einem Anstrich zum Verkleben der Elemente auf dem Fundament versehen werden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform besitzt das Siliconelastomere eine Reißfestigkeit über etwa 30 bar und eine Bruchdehnung über etwa 80%.

Das Siliconelastomere ist vorzugsweise bei Raumtemperatur von etwa 20⁰C polymerisierbar.

Gemäß der Erfindung hält das Siliconelastomere eine 2000 bis 3000° C he^ße Flamme mehrere Sekunden aus.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß das Siliconelastomere nach der Polymerisation eine Shore-zt-Härte zwischen 40 und 60 besitzt.

Der erfindungsgemäße Gasgenerator besitzt die folgenden Eigenschaften:

Sein Fundament besitzt in einem Bereich von Betriebstemperaturen der Treibladung zwischen —40° C und +60° C im wesentlichen konstante mechanische und physikalisch-chemische Eigenschaften. Es besitzt bei Minustemperaturen aufgrund des niedrigen Sprödigkeitspunkts voti Siliconelastomeren eine hohe Nachgiebigkeit. Die Polymerisation kann bei Raumtemperatur (etwa 20⁰C) und somit ohne Einbringung der Treibladung in einen Ofen erfolgen. Das Fundament besitzt während der angegebenen Verbrennungsdauer eine gute Beständigkeit gegenüber den Verbrennungsgasen. Außerdem ist es chemisch mit den homogenen Propergolen verträglich (z. B. mit SD. oder gegossenen Pulvertreibladungen). Schließlich stellt man nur eine geringe Affinität des Elastomeren für Nitroglycerin oder die in dem Propergol enthaltenen Weichmacher fest

Daraus ergeben sich folgende, mit den erfindungsgemäßen Gasgeneratoren erzielte Vorteile:

Ein ausgezeichnetes Verhalten bei mechanischen und klimatischen Belastungen, der Zusammenhalt der Treibladung bei der Zündung, sehr gutes Verhalten bei Beschleunigungen, sehr gutes Lagerungsverhalten und keine Entstehung von unverbrannten Propergolbestandteilen während der Verbrennung und damit eine Verstärkung des Antriebs sowie die Abwesenheit störender oder gefährlicher fester Ausstöße.

Die Erfindung wird anhand der fo¹., -enden Beispiele näher erläutert Die F i g. 1 und 2 beschreiben zwei Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Gasgenerators unter Bezugnahme auf die Zeichnung. In der ist

F i g. 1 eine schematische Schnittansicht der Verbrennungskammer eines Gasgenerators mit einem auf einem Fundament befestigten homogenen Propergolblock;

Fig.2 und 3 in schematischer Darstellung die Befestigung von Propergol-EIementen mittels eines Fundaments auf Metallboden, die in die Verbrennungskammer eingesetzt werden; und

F i g. 4 und 5 ein Aufriß bzw. eine Draufsicht auf eine Treibladung, bestehend aus einer Anordnung von gewellten Propergolbändern, welche auf einem Fundament befestigt sind.

Das Vergleichsbeispiel zeigt die Vorteile eines erfindungsgemäßen Gasgenerators gegenüber einem bekannten Gasgenerator mit einem Fundament aus mit Lithopon gefülltem Polyesterharz; beide Generatoren sind mit der gleichen Treibladung bestückt

Beispiel 1

Die Treibladung des Gasgenerators besteht aus einem homogenen rohrförmigen PropergcAblock. Gemäß der Erfindung und in Übereinstimmung mit F i g. 1 ist dieser Block 1 in ein Fundament 2 aus einem Siliconelastomeren, z. B. mit einer Brookfield-Viskosität von 40—70 Pas, eingebettet; das Fundament ist auf dem sphärischen vorderen Boden 3 der Verbrennungskammer fixiert. Nach Entfettung mit Trichlorethylen erhält der Propergolblock einen die Haftung verbessernden Grundieranstrich, z. B. auf Basis von Siliccnelastomeren und flüchtigen organischen Lösungsmitteln; die Höhe dieses Anstrichs entspricht dem eingebetteten Teil. Das gleiche geschieht mit dem vorderen Boden der Verbrennungskammer. Nach dem Trocknen des Anstrichs wird eine ausreichende Menge des Siliconelastomeren direkt bei Raumtemperatur in die Verbrennungskammer gegossen, worauf man den Propergolblock vorsichtig in das Harz hineinsenkt Die Polymerisation des Ganzen erfolgt bei Raumtemperatur. Wenn es sich als erforderlich erweist, kann man leicht eine mechanische Zentrierung des Blocks während der Dauer der Polymerisation vornehmen.

Bei einer Abänderung der vorstehend beschriebenen Ausführungsform kann man Propergol-Elemente an einen beliebigen Punkt der Verbrennungskammer ankleben oder man kann einen Propergolblock oder

-elemente auf einem in die Verbrennungskammer eingepaßten Boden fixieren. Dieser Boden kann eben, sphärisch sein, kann Ausnehmungen, wie sie in Fig.2 gezeigt sind, aufweisen, mit »Spitzen«, wie dies in F i g. 3 dargestellt ist. Auf diesen beiden letzten Figuren gewährleistet das Siliconelastomere 2 die Verbindung zwischen dem Propergol 1 und dem Metallboden 3.

Beispiel 2

In diesem zweiten Ausführungsbeispiel besteht die Treibladung des Gasgenerators aus einem Satz von Propergolprimärelementen in Form von dünnen gewellten Bändern (etwa 1 mm dick). Die Montage erfolgt mittels des gleichen Fundaments aus einem Siliconelastomeren, wie es in Beispiel 1 verwendet wurde und in Fig.4 und 5 dargestellt ist. Die Befestigung dieser Baugruppe in der Verbrennungskammer kann durch Verkleben mit dem gleichen Elastomeren oder auf beliebige andere mechanische Weise erfolgen. Nach Entfetten mit Trichloräthylen werden die Bänder 1 mit einer Schicht aus einem die Haftung verbessernden Grundieranstrich über eine Länge versehen, die derjenigen des Verbindungsfundaments 2 entspricht; sie werden dann in eine mechanische Zentnerungseinrichtung gebracht, wo die Treibladung ihre endgültige Geometrie erhält. Die in dieser Vorrichtung gehaltenen Bänder werden vorsichtig in eine Form eingehängt, welche die äußeren Formen des Fundaments besitzt und die erforderliche Menge Siliconelastomer enthält. Nach Polymerisation bei Umgebungstemperatur wird das Ganze aus der Form entnommen und dann aus der Zentrierungsvorrichtung gelöst.

Bei einer Abänderung der vorstehend beschriebenen Ausführungsform können andere Formen von Propergol-Elementen verwendet werden. So können beispieisweise zylindrisch, rohrförmige, flache Bänder, spiralförmig aufgewickelte Bänder usw. zusammengebaut werden.

Vergleichsbeispiel

Das Vergleichsbeispiel zeigt die Ergebnisse von Belastungsproben bezüglich Umgebung und Abschuß, die an 48 erfindungsgemäßen Gasgeneratoren mit einem Fundament aus Siliconelastomeren und 48 Gasgeneratoren mit einem Fundament aus einem bekannten Polyester durchgeführt wurden.

Bei den untersuchten erfindungsgemäßen Gasgeneratoren mit einem eine Treibladung tragenden Fundament besteht diese Ladung aus etwa 200 homogenen Propergol-Elementen, die etwa 140 mm lang sind und einen Durchmesser von 70 mm besitzen; die Masse der Ladung beträgt etwa 03 kg und die Verbrennungsdauer dieser Ladung beträgt etwa 10 Millisekunden. Das Material des Fundaments ist ein Siliconelastomer mit einer Brookfield-Viskosität von 40 bis 70 Pas poises. Das Fundament wurde auf dem Boden der Verbrennungskammer eines Gasgenerators gleichzeitig geformt und verklebt. Dieser Boden und eines der Enden der Propergol-Elemente wurden vorher mit einer Schicht aus einem die Haftung verbessernden Grundieranstrich auf Basis von Siliconelastomeren und flüchtigen organischen Lösungsmitteln überzogen.

Die Treibladungen der Gasgeneratoren werden Vibrationen von 50 Hz und wiederholten Stoßen und Erschütterungen mit einer Frequenz von etwa 1 Hz während mehrerer Stunden unterworfen, worauf man die Ladungen 10 Stunden in einer Umhüllung bei einer Temperatur von 40⁰C oder während zwei Stunden bei einer Temperatur bis zu 50° C ruhen läßt; schließlich läßt man sie aus einer Höhe von etwa 2 m herunterfallen.

Diese Belastungen hatten keinen Einfluß auf die Ladungen mit einem Siliconharzfundament. Man stellte hingegen fest, daß bei einem Fall aus einer Höhe von etwa 1 m 33 der 48 Gasgeneratoren mit einem Polycjterfundament gebrochene Propergol-Elemente aufwiesen, wobei bei 11 Generatoren mehr als 5 Elemente gebrochen waren.

Die Treibladungen wurden bei Temperaturen von -31,5° C und +51"C abgeschossen.

Die Untersuchung der Fundamente aus Siliconelastomeren nach dem Abschuß zeigte, daß die Fundamente der Verbrennung gut widerstanden hatten und daß der gesamte Zündstoff, insbesondere die in dem Fundament eingebetteten Enden der Propergoi- Elemente, verbrannt war. Man stellte keine Flamme fest. Die Verklebung der Ladung mit dem Boden der Verbrennungskammer erwies sich als gut: kein Fundament hatte sich nach dem Abschuß gelöst.

Man erzielte gegenüber den Ladungen mit einem Polyesterfundament eine Impulserhöhung (oder Erhöhung der Ausgangsgeschwindigkeit) von etwa 4% bei tiefen Temperaturen (-31,5⁰C) und in der Größenordnung von 2% bei den hohen Betriebstemperaturen ( + 51"C).

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

1 Patentansprüche:

1. Gasgenerator mit einer aus einem oder mehreren Elementen bestehenden festen, insbesondere homogenen Propergolladung, der ein Fundament aus einem Kunststoff oder einem Elastomeren für den Zusammenhalt der Elemente und/oder die Befestigung des Treibsatzes in der Verbrennungskammer des Gasgenerators aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Elastomere ein Siliconelastomeres ist

2. Gasgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladung in dem Fundament mit einer ihrer Randzonen verankert ist

3. Gasgenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Siliconelastomere eine Reißfestigkeit über etwa 30 bar und eine Bruchdehnung über etwa 80% besitzt

4. Gasgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis

3, dadurch gekennzeichnet, daß das Siliconelastomere bei Umgebungstemperatur von etwa 20° C polymerisierbar ist

5. Gasgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis

4, dadurch gekennzeichnet, daß das Siliconelastomere bei 2000 bis 3000⁰C während mehrerer Sekunden nicht entflammbar ist

6. Gasgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis

5, dadurch gekennzeichnet, daß das Siliconelastomere nach der Polymerisation eine Shor A- Härte zwischen 40 und 60 besitzt

7. Verw«_.idung des Gasgenerators gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 zum .* itrieb von Flugkörpern, insbesondere Geschossen oder Raketen.