DE2616359A1

DE2616359A1 - Energieabsorber

Info

Publication number: DE2616359A1
Application number: DE19762616359
Authority: DE
Inventors: Michael John Chase
Original assignee: Imperial Metal Industries Kynoch Ltd
Current assignee: Imperial Metal Industries Kynoch Ltd
Priority date: 1975-04-17
Filing date: 1976-04-14
Publication date: 1976-10-21
Also published as: US4077495A; SE7604408L; IT1063037B; FR2333166A1; EG13381A; FR2333166B1; GB1531460A; CA1054170A; AU1305676A

Description

-r· n C/ Λ* - Patentanwälte:

TlEDTKE - DOHLING " IVlNNE - V3RUPE Dipl.-lng. Tiedtke

Dipl.-Chem. Bühling
Dipl.-lng. Kinne
Dipl.-lng. Grupe

8000 München 2, Postfach 202403 Bavariaring 4

Tel.: (0 89)53 96 53-56

Telex: 5 24845 tipat

cable. Germaniapatent München

14. April 1976

B 7264

ICI case M. 27756

IMPERIAL METAL INDUSTRIES (KYNOCH) LIMITED
Birmingham / Großbritannien

Energieabsorber

Die Erfindung bezieht sich auf einen Energieabsorber und insbesondere aber nicht ausschließlich auf einen Energieabsorber für die Verwendung in einem Druckentlastungsventil für die Beendigung eines Raketenfluges.

Die Verbrennungsgeschwindigkeit in einer Raketen-Verbrennungskammer hängt gewöhnlich vom Druck in der Kammer ab. Es ist deshalb möglich, einen Raketenflug durch die Freigabe des Drucks in dieser Kammer zu beenden. Dies kann mittels eines ferngesteuerten Druckentlastungsventils bewirkt werden. Der Ventilverschluß kann in der Form eines Kolbens sein, der plötzlich freigegeben wird und ein Öffnen des Ventils erlaubt. Da jedoch dann ein erheblicher Druck auf den Kolben gerichtet ist, ist es wichtig, seine Energie zu absorbieren, da er sonst ein ungesteuertes Projek-

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Dresdner Bank (München) Kto. 3939 844 Postscheck (München) Kto. 670-43-804

til werden würde. Mit dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Er~ findung wird beabsichtigt, einen Energieabsorber für ein derartiges Ventil zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird ein Energieabsorber geschaffen, der lückenbildende Elemente aufweist, die zur Bildung eines zusammendrückbaren Körpers in ein Grundmaterial gebettet sind.

Die Elemente können Hohlkörper, beispielsweise hohle Kugeln sein, und sie sind bevorzugt dünnwandig. Die Elemente müssen zumindest verformbar sein, und sie sind vorzugsweise zerbrechlich; beispielsweise können sie aus Glas hergestellt sein.

Das Grundmaterial besteht vorzugsweise aus federnd nachgiebigem, elastischem Material, beispielsweise aus Elastomer.

Der Absorber kann auch einen verformbaren Aufbau aufweisen, in dem und/oder um den der Körper gebildet ist. Der Aufbau kann röhrenförmig sein und einen honigwabenartigen Querschnitt aufweisen, wobei dann der Körper in den Zellen der Honigwabe gebildet ist. Der Aufbau kann stranggepreßt sein und aus einem Metall bestehen, beispielsweise aus Aluminium.

Der Körper kann einen Teil einer energieabsorbierenden Vorrichtung bilden, bei der ein anderer Teil ein unterschiedliches energieabsorbierendes Erhalten aufweist. Wenn beispielsweise ein verformbarer Aufbau vorgesehen ist, wie oben erläutert, kann er innerhalb des Körpers sein und aus ihm hervorstehen, wobei das

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hervorstehende Teil des Aufbaus den anderen Teil der Vorrichtung
bildet.

Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Herstellung eines Energieabsorbers durch Einlagerung von lückenbildenden Elementen in ein Grundmaterial zur Bildung eines zerdrückbaren Körpers. Das Grundmaterial kann in einem fließfähigen Zustand vorgesehen werden, wobei die Elemente im Material verteilt sind; die Mischung wird dann geformt,und das Grundmaterial läßt man erstarren. Die Mischung kann in einem und/oder um einen verformbaren Aufbau geformt werden, der einen Teil des Energieabsorbers
bildet; beispielsweise kann die Mischung in einer Gießform vorgesehen sein und der Aufbau in die Gießform gedrückt werden. Eine Anzahl von Energieabsorbern kann dadurch hergestellt werden, daß ein schichtähnlicher Aufbau in die Mischung gedrückt und die entstehende Verbund schicht zur Bildung der einzelnen Energieabsorber
quergeteilt wird.

Die Erfindung schafft ferner eine energieabsorbierende
Vorrichtung, die einen verformbaren Aufbau aufweist, an dem ein
Körper aus einem zerdrückbaren Material befestigt ist, so daß der
Körper für die gleiche Bewegung eines Bauteils, von dem Energie absorbiert werden soll, eine wesentlich größere Energiemenge als der Aufbau absorbieren wird. Der Aufbau und der Körper können so sein, wie es vorstehend beschrieben ist.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dieses

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Gesichtspunkts der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Energieabsorption eines beweglichen Teils eines Druckentlastungsventils geschaffen, das aus einem länglichen stranggepreßten Abschnitt besteht, der einen zerdrückbaren Körper aufweist, der in einem und/oder um einen Teil des Abschnitts gebildet ist, wobei der zerdrückbare Körper ein elastisches Grundmaterial aufweist, in das Hohlkörper eingebettet sind.

Die Erfindung schafft ferner ein Gerät, das ein in gegebener Richtuncf bewegliches Bauteil und einen Energieabsorber aufweist, wie er vorstehend erläutert ist und der so angeordnet ist, daß er durch das Bauteil nach einer Bewegung in diese Richtung zusammengedrückt wird, wodurch vom Bauteil Energie absorbiert wird. Das Gerät kann ein Druckfreigabeventil sein und das Bauteil kann ein Ventilöffnungselement sein. Das Freigabeventil kann ein Teil eines Flugterminators einer Rakete bilden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen schematischen Längsschnitt eines Druckfreigabeventils für die Verwendung in einem Flugterminator einer Rakete;

Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt eines Teils einer energieabsorbierenden Vorrichtung für uιe Verwendung in dem in Fig. 1 dargestellten Freigabeventil;

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Fig. 3 zeigt einen Querschnitt eines Teils des in Fig. dargestellten Absorbersj

Fig. 4 zeigt das energieabsorbierende Verhalten unterschiedlicher Energieabsorber, wobei der den Absorber zusammendrückende Druck auf der senkrechten Achse und die sich ergebende Bewegung aus

dem Zusammenfallen oder Stauchen des Absorbers auf der waagrechten Achse dargestellt sind. Die Darstellung trägt keine Einheiten, da nur die Form der Kurven für die folgende Beschreibung von Belang ist.

Die britische Patentschrift 1 368 838 bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Beendigung eines Raketenflugs. Kurz gesagt, weist die Vorrichtung ein Rohr auf, das normalerweise mittels eines Kolbens verschlossen ist, der mittels Fernsteuerung freigebbar ist und es zuläßt, daß das Rohr die Verbrennungskammer des Raketenmotors entlüftet.

Soll eine solche Vorrichtung in einem Raketenmotor verwendet werden, der in der Verbrennungskammer einen erheblichen Druck aufwendet, so ist es wünschenswert, vom freigebbaren Kolben nach der Freigabe Energie zu absorbieren und zu vermeiden, daß er unkontrolliert wegfliegt. Die allgemeine Anordnung kann dann so wie in der Darstellung in Fig. 1 sein; die Erfindung bezieht sich nicht auf die Einzelheiten des Ventilaufbaus, und entsprechend stellt diese Figur nur eine schematische Abbildung dar.

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Wie Fig. 1 zeigt, kann ein Entlüftungsrohr 10 ein über einen freigebbaren Kolben 12 vorstehendes Verlängerungsstück aufweisen. Das Verlängerungsstück besitzt eine öffnung 14, durch die der Verbrennungskammerdruck abgelassen werden kann, nachdem der Kolben durch eine bei 16 schematisch dargestellte Fernsteueranordnung freigegeben worden ist. Das Verlängerungsstück am Rohr 10 besitzt eine daran befestigte Endklappe 18; ein Energieabsorber 20 befindet sich zwischen dem Kolben 12 und der Endkappe 18.

Der Kolben wird nach seiner Freigabe durch den Druck in der Verbrennungskammer genügend wext gegen die Endkappe gedrückt, so daß die Verbrennungskammer über die öffnung 14 entlüftet wird. Der Energieabsorber 20 nimmt jedoch Energie vom Kolben 12 auf und verhindert, daß der Kolben eine solche Kraft auf die Endkappe 18 ausübt, daß diese weggeblasen wird.

Eine Möglichkeit für einen Energieabsorber besteht in einem stranggepreßten Abschnitt, beispielsweise einem Aluminiumabschnitt, wie beispielsweise der, der unter dem Handelsnamen "Aeroweb" verkauft wird. Dies ist ein honigwabenartiger Abschnitt, wie er in Fig. 3 allgemein dargestellt ist. Der Abschnitt wird durch den sich rückwärts bewegenden Kolben 12 verformt, wodurch Energie des Kolbens absorbiert wird. Man hat jedoch herausgefunden, daß ein solcher Abschnitt zu leicht zusammengedrückt wird, wenn ein erheblicher Druck in der Verbrennungskammer herrscht. Beispielsweise würde das energieabsorbierende Verhalten dieses Abschnitts so sein, wie es durch die Kurve a in dem in Fig. 4 dargestellen Diagramm ge-

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zeigt ist. Gemäß ii.eser Darstellung läßt der Aeroweb-Abschnitt eine beträchtliche Bewegung des Kolbens 12 für durchaus niedrige Drücke in der Verbrennungskammer zu. Dementsprechend würde ein sehr langer Abschnitt erforderlich sein, der bei hohen Drücken vom Kolben genügend Energie absorbiert, was unpraktisch ist.

Eine Möglichkeit zur Behandlung dieser Schwierigkeit ist es, den Aeroweb-Abschnitt mit einem elastischen Material, beispielsweise einem Elastomer zu füllen. Die in Fig. 4 mit b dargestellte Kurve folgt aus dem Füllen des AerowebrAbschnitts mit dem unter dem Handelsnamen "Silcoset 105" verkauften Siliconelastomer. Man sieht, daß jetzt selbst bei erheblichen Drücken eine relativ geringe Bewegung des Kolbens erfolgt. Diese geringe Bewegung hat jedoch nur eine geringe Energieabsorption durch den Energieabsorber und die Weitergabe einer beträchtlichen Kraft auf die Endkappe 18 zur Folge.

Diese Schwierigkeit kann mittels eines erfindungsgemäßen energieabsorbierenden Materials überwunden werden, das eine Mischung eines Elastomers, beispielsweise Silcoset 105, mit Hohlkörpern enthält, wie beispielsweise jene, die unter dem eingetragenen Warenzeichen "Armospheres" verkauft werden. Das Armospheres gibt der Füllung in dem Aeroweb eine zusätzliche "Zerdrückbarkeit" und es läßt eine größere Bewegung des Kolbens und deshalb eine zusätzliche σ) Kolbenenergieabsorption zu. Beispielsweise kann die entstehende Kurve so

cd sein, wie sie in Fig. 4 mit c dargestellt ist. oo

-P-CO

_o Der Anteil der Hohlkörper im Elastomer kann entsprechend

K) der Energiemenge eingestellt werden, die absorbiert werden muß. Es wird vorausgeschickt, daß sich ein Gewichtsanteil der Hohlkörper im

Elastomer von weniger als 25 % nicht als signifikant unterschiedlich vom ungefüllten Elastomer erweist. Man hat gefunden, daß ein Zusatz der Hohlkörper von mehr als 70 % im Gewicht das Elastomer in einem derartigen Ausmaß versteift, daß es schwierig ist, die Körper durch ein herkömmliches Verfahren zum Einbringen einer Füllung in ein Elastomer in die Mischung einzubringen.

Die Verwendung des neuen Füllmaterials mit dem Aeroweb kann noch eine weitere Schwierigkeit entstehen lassen, wenn in der Praxis in der Verbrennungskammer des Raketenmotors eine wesentliche Druckänderung auftritt. Beispielsweise kann der Treibstoff des Raketenmotors in der gleichen Verbrennungskammer einen "Zusatzschub"-und einen "Halte"-Anteil aufweisen. Diese Anteile können bei unterschiedlichen Stufen der Verbrennung des Treibstoffs im wesentlichen unterschiedliche Drücke in der Kammer zur Folge haben; es kann aber erwünscht sein, den Raketenflug in jeder dieser Stufen zu beenden. Die Druckänderung kann zwischen der "Zusatzschub"- und der "Halte"-Stufe in der Größenordnung von 5:1 oder 6:1 sein. Während somit eine Charakteristik, wie sie in Fig. mit c dargestellt ist, für die Stufe des Flugs mit hohem Druck geeignet sein kann, kann die Bewegung, die der Kolben bei relativ niedrigen Drücken ausführen kann, ungenügend sein, um die Entlüftungsöffnung 14 freizugeben.

Dementsprechend kann der in Fig. 1 dargestellte Energieabsorber 20 einen Aeroweb-Abschnitt aufweisen, der nur teilweise mit der Silcoset-Armospheres-Mischung gefüllt ist. Beispielsweise können etwa zwei Fünftel der Länge des Abschnitts mit dieser Mischung ge-

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füllt sein. Die entstehende Charakteristik des Energieabsorbers ist in Fig. 4 mit d dargestellt. Wie zu sehen ist, läßt der ungefüllte Aeroweb-Abschnitt sogar bei niedrigen Drücken eine beträchtliche Bewegung des Kolbens 12 zu, die ausreicht, das öffnen der Entlüftungsöffnung 14 sicherzustellen. Nach dem öffnen dieser Entlüftungsöffnung muß aber der Kolben zusätzlich zur Verformung des Aeroweb-Abschnitts den Körper des Füllmaterials zerdrücken, was wesentlich mehr Kolbenenergie absorbiert.■

Der Energieabsorber 20 kann unter Verwendung der folgenden Materialien hergestellt sein:

(a) Aeroweb-Aluminiumhonigwabenabschnitt (Ciba-Geigy Limited _f Bonded Structures Division, Duxford, Cambridge).

(b) Silcoset 105 (ICI Limited, Stevenston, Ayrshire).

(c) Silcoset Aushärtemittel A (ICI Limited, Stevenston, Ayrshire ).

(d) Armospheres, hohle Glaskugeln (Armoform 1958 Limited, Mill Street East, Dewsbury, Yorkshire).

Das Armospheres sollte vor dem Gebrauch gesiebt werden. Vorzugsweise wird nur der Anteil bei der Herstelluna der Mischung verwendet, der auf einem 100 - Maächen - sieb zurückbehalten wird. Das Silcoset 105 wird vorzugsweise unter Umrühren mit einem Gewichtsanteil von 0,5 % des Aushärtemittels A gründlich vermischt; dann wird ebenso unter Umrühren Armospheres unt e r einem Gewichtsanteil von 70 % gleichförmig in die Mischung eingelagert.

Die entstehende Mischung wird in ein geeignetes Formwerkzeug eingegeben, das eine Schicht des

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Aeroweb-Abschnitts mit vorbestimmten Ausmaßen aufnehmen kann, die wesentlich großer als die Querschnittsfläche eines einzelnen Energieabsorbers 20 sind. Die Aeroweb-Schicht ist so angeordnet, daß sie
einen Gleitsitz in der Gießform bildet. Die Schicht wird vorzugsweise

entfettet; nach dem Trocknen wird sie in die Gießform eingeschoben, so daß die Mischung in der Form in die Zwischenräume des Honigwabenabschnitts gezwängt wird. Die Mischung in der Gießform wird vor dem Einsetzen der Schicht ausgeglichen, die in die Mischung geschoben wird, so daß letztere zur Erreichung eines vorbestimmten Füllgrades gleichmäßig in die Zwischenräume gezwängt wird. Die gefüllte Schicht kann aus der Form entfernt und bei Raumtemperatur ausgehärtet werden.

Einzelne Energieabsorber können dann von der gefüllten Schicht abgeschnitten werden, indem diese quer zu der Hauptebene der Schicht durchgeschnitten werden. Im Bedarfsfall können die Absorber 20 durch Umkleben mit einer Aluminiumfolie entlang dem
Umfang vervollständigt werden, wobei die Folie mittels eines
geeigneten Klebstoffs am gefüllten Abschnitt befestigt wird.

Die Erfindung schafft ein energieabsorbierendes Material, das mit einem gesteuerten energieabsorbierenden Verhalten versehen v/erden kann, das vom Anteil der lückenbildenden Elemente im elastischen Material abhängt. Dieser letztere Anteil kann leicht gesteuert werden. Die Erfindung ist nicht auf die vorgenannten speziellen Materialien beschränkt. Viele unterschiedliche Elastomere können verwendet werden. Silcoset-Materialien sind besonders geeignet, da sie ihre Elastizität sogar bei niedrigen Temperaturen bei-

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behalten; sie sind zweckmäßig, da sie bei Raumtemperaturen ausgehärtet werden können. Es gibt auch viele andere Arten von lückenbildenden Elementen. Beispielsweise können Kunststoffkugeln oder -Hüllen mit anderen Formen verwendet werden; Kugeln aus Glas (oder anderem Material) können neben Armospheres für geeignet befunden werden. Es kann auch wünschenswert sein, lückenbildende Elemente zu verwenden, die im Verlauf des Zerdrückens des Energieabsorbers eher verformbar als zerbrechlich sind.

Erfindungsgemäße Energieabsorber können bei anderen Anwendungen als den Terminatoren für Raketenflüge Verwendung finden. Beispielsweise können sie bei der Herstellung von Motorfahrzeugen als energieabsorbierendes Material verwendet werden. Bei diesen Anwendungen besteht keine Notwendigkeit, einen "Skelett"-Aufbau vorzusehen, wie bei dem vorstehend genannten Aeroweb-Abschnitt. Andererseits können andere Materialien oder Abschnitte als nützlich bei anderen Anwendungen der Erfindung befunden werden.

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Claims

Patentansprüche

[!.,Energieabsorber, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung eines zerdrückbaren Körpers lückenbildende Elemente in ein Grundmaterial eingelagert sind.
2. Absorber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente Hohlkörper sind.
3. Absorber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente zerbrechlich sind.
4. Absorber nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Grundmaterial aus federnd nachgiebigem, elastischem Material hergestellt ist.
5. Absorber nach · i_nem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen verformbaren Aufbau, in dem und/oder um den der Körper gebildet ist.
6. Absorber nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufbau röhrenförmig ist.
7. Absorber nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufbau einen honig^wakenartigen Querschnitt aufweist, wobei der Körper i_n den Zellen der Waben gebildet ist.

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8. Absorber nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Anteil des Aufbaus vom Grundmaterial hervorsteht.
9. Absorber nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung bei einer energieabsorbierenden Verrichtung, die einen ersten und einen zweiten Anteil mit unterschiedlichem energieabsorbierendem Verhalten aufweist.
10. Absorber nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch die Anwendung bei einer energieabsorbierenden Vorrichtung, bei der einer der Anteile ein Absorber nach einem der Ansprüche 1 bis 4 ist.
11. Absorber nach Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet durch die Verwendung bei einer energieabsorbierenden Vorrichtung, bei der einer der Anteile mit einem verformbaren Aufbau versehen ist.
12. Absorber nach Anspruch 10 oder 11, gekennzeichnet durch die Verwendung bei einer ei.argieabsorbierenden Vorrichtung mit einem länglichen stranggepreßten Abschnitt, der einen zerdrückbaren Körper aufweist, der in einem und/oder um einen Teil desselben gebildet ist, wobei der zerdrückbare Körper ein elastisches Grundmaterial aufweist, in das hohle Elemente eingelagert sind.
13. Absorber nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Zuordnung zu einem in einer gegebenen Richtung beweglichem Element, dessen Energie während einer derartigen Bewegung vom Absorber zu absorbieren ist.

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14. Absorber nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Element ein Ventilöffnungselement ist.
15. Verfahren zur Bildung eines Energieabsorbers, gekennzeichnet durch ein Einlagern von lückenbildenden Elementen in ein Grundmaterial zur Bildung eines zerdrücKbaren Körpers.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Grundmaterial in einem fließfähigen Zustand vorgesehen wird, wobei die Elemente im Material verteilt sind, und daß man die Mischung formt und das Grundmaterial erstarren läßt.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung in einem und/oder um einen verformbaren Aufbau geformt wird, der einen Teil des Energieabsorbers liefert.
18. Verfahren nach Anspruch 17 zur Bildung einer Mehrzahl von Energieabsorbern, dadurch gekennzeichnet, daß man einen schichtähnlichen Aufbau in die Mischung drückt und die entstehende Verbundschicht quer zur Schicht zur Bildung der einzelnen Energieabsorber zerteilt.

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