DE2650731A1 - Isolierende verbundschicht und verfahren zur auskleidung einer raketentreibstoffkammer - Google Patents

Isolierende verbundschicht und verfahren zur auskleidung einer raketentreibstoffkammer

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DE2650731A1 DE19762650731 DE2650731A DE2650731A1 DE 2650731 A1 DE2650731 A1 DE 2650731A1 DE 19762650731 DE19762650731 DE 19762650731 DE 2650731 A DE2650731 A DE 2650731A DE 2650731 A1 DE2650731 A1 DE 2650731A1
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Description

Patentanwälte: Dipl.-Ing. Tiedtke Dipl.-Chem. Bühling
r-» MeT r^Diioc Dipl.-Ing. Kinne
TlEDTKE - BüHLING - fiVlNNfc RLK- Dipl.-Ing. Gmpe
Bavariaring 4, Postfach 20 24
26 50731 8000 Müncnen 2
Tel.:(0 89)53 96 53-56 , Telex: 5 24 845 tipat
cable. Germaniapatent München 5.November 1976
B 7721 case 1282-6
Her Majesty The Queen in Right of Canada as Represented by the Minister of National Defence
Ottawa,Ontario,Kanada
Isolierende Verbundschicht und Verfahren zur Auskleidung einer Raketentreibstoffkammer
Die Erfindung bezieht sich auf ein Isoliersystem und einige Komponenten desselben für die Anwendung in Raketentriebwerken mit festem Komposit-Treibstoff.
Bei selchen Raketen ist der Treibstoff in einer Brennkammer untergebracht, die vom vorderen Abteil der Rakete durch eine dichte Querwand abgetrennt ist. Die Querwand wird durch einen kopfseitigen Isolierkörper geschützt und die Brennkammerwände werden mit einem geeigneten Material isoliert. Einige Komposit-Raketentreibstoffe basieren auf Polybutadien mit Carboxylenden (CTPB) und andere auf Polybutadien mit Hydroxy I-enden (HTPB) als Brennstoffbinder. Ein wichtiges Erfordernis solcher Raketensysteme ist die Fähigkeit der Wandisolation, an der Brennkammer zu haften und des Komposit-Treibstoffs, angemessen am Isoliersystem zu
ν 709827/0207
Dresdner Bank (München) Kto. 3939 844 Postscheck (München) Kto. 670-43-804
haften.
Ein isolierendes Bahnmaterial bzw. eine Isolierschicht, die entwickelt und erfolgreich zusammen mit festen Treibstoffen auf der Basis von Polybutadien mit Carboxylenden (CTPB)benutzt wurde,enthält eine Mischung von Chrysotilasbestfasern und Füllpulvern (floats), die in einem CTPB-Polymerbinder dispergiert sind, wie es in der CA-PS 901 713 der Anmelderin beschrieben wird. Die Eigenart dieses Materials wird nachfolgend mehr im einzelnen anhand der speziellen Beschreibung der vorliegenden Erfindung erläutert.
Eine neuere Entwicklung auf dem Gebiet der Feststoff-Raketentreibmittel ist die Einführung von PoIybutadienen mit Hydroxylenden (HTPB), die gegenüber den CTPB-Treibstoffen gewisse Vorteile haben. Beim Erscheinen dieser Treibstoffe wurde gehofft, daß HTPB-Isolierschichten ebenfalls in gleicher Weise wie die oben diskutierten CTPB-Schichten und mit ähnlichen Eigenschaften wie diese erzeugt werden könnten, die dann jedoch mit den HTPB-Treibstoffen verträglich sein würden. Leider ergab jedoch keines von einer Anzahl von geprüften HTPBen Isolierschichten mit ausreichender Lagerfähigkeit oder Bindewirkung gegenüber HTPB-Treibstoffen.
Ziel der Erfindung ist daher ein schichtförmiges Isoliersystem, das gut wärmeisoliert und die erforderlichen Eigenschaften der Bindefähigkeit gegenüber HTPB-Systeinen zeigt.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist ein Isolierverfahren, mit dem die Anbringung und Bindung der unterschiedlichen Isolierkomponenten in der Raketenkammer in einer einzigen Operation möglich ist.
709827/0207
Es wurde gefunden, daß diese Ziele erreicht werden können, wenn man ein CTPB-Isoliermittel, wie oben beschrieben, zusammen mit einer Aluminiumfolie verwendet, die zwischen dem Isoliermittel und dem HTPB-Treibstoff angeordnet ist. Es wurde weiter gefunden, daß die Isolierungskomponenten, d.h. kopfseitiger Isolator, kopfseitiger Begrenzer, düsenseitiger Hals oder Bundring (Doppler), die Wandisolierung und ihre Aluminiumauskleidung bei der praktischen Anwendung der Erfindung in einer einzigen Operation an Ort und Stelle gebracht und mit der Raketenkammer verbunden werden können.
Nachfolgend wird die Erfindung weiter anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die angefügte Zeichnung beschrieben, die einen Schnitt durch ein Raketengehäuse mit Seitenwandisolierung gemäß einer bevorzugten Ausführungsart der Erfindung zeigt.
Beispiel
Im folgenden Beispiel wird zunächst eine typische Zusammensetzung und Herstellung eines CTPB-Bahnmaterials bzw. Belages für das erfindungsgemäße Isoliersystem beschrieben.
Eine typische Zusammensetzung des Isoliermaterials ist folgende:
Butadienpolymeres mit Carboxylenden etwa 28,2 % (z.B. HC-434 von Thiokol)
Epoxid-Härter 1,5 %
(z.B. ERLA-0510 von Union Carbide)
Katalysator (wie Eisenoctasol) 0,3 %
Verstärkungs-Asbestfasern 52,5 %
(z.B. Grade 3Z12 Asbest von Johns-
Manville)
Asbest-Füllstoff (z.B. Asbestschwimm- 17,5 % pulver, Grade 7TF1 von Johns-Manville)
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Die Herstellung des CTPB-Isolierstoffs kann in 3 Stufen unterteilt werden: 1) einleitendes Vermischen, 2) erstes Mahlen bzw. Walzen und 3) abschließendes Auswalzen bzw. Bildung von Bahnmaterial.
Die einleitende Vermischung der Fasern, Füllstoffpulver und Binder erfolgt in einem Sigma-Schaufelmischer bei 6O0C. Die resultierende elastomer-imprägnierte "Masse" ist ziemlich steif.
Für eine erfolgreiche erste Mahl- oder Walzoperation muß die Masse eine optimale Konsistenz bzw. Plastizität erreichen. Es wurde experimentell ermittelt, daß die Masse bei einer Zusammensetzung mit 70 % Feststoffen nach einer zweistündigen Alterung bei 71,1 C leichter zu mahlen ist. Der einleitende Mischvorgang erfolgt nicht so lange, daß eine vollständige Dispersion und "Benetzung" der Fasern gewährleistet wird. Die partiell gehärtete Masse unterliegt jedoch einer weiteren Mischwirkung, wenn sie auf der Differentialwalzenmühle in ein Fell umgewandelt wird.
Das Fell wird dann in das abschließende Auswalzwerk mit zwei mit gleicher Drehzahl rotierenden Walzen eingegeben. 5 Durchgänge auf dem Fertigwalzwerk ergeben ein homogenes, glattes und flexibles Bahnmaterial. Die Bahnmaterialien werden dann auf erforderliche Länge zugeschnitten, in Polyäthylenbeutel gebracht und normalerweise bei tiefer Temperatur gelagert.
Wie weiter oben angegeben wurde, ist die CTPB-Isolierbahn als solche nicht neu und bildet den Gegenstand der CA-PS 901 713. Die neue Konstruktion gemäß der Erfindung ist eine Kombination dieses Bahnmaterials mit einer Aluminiumfolienschicht zur Bildung eines Iso-' liersystems für ein Raketengehäuse mit HTPB-Treibstoff„
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Vor der näheren Beschreibung des Verfahrens zur Anbringung der Folie am CTPB-Bahnmaterial und dem Verfahren der Anordnung und Bindung der unterschiedlichen Isolierkomponenten im Gehäuse in einer einzigen Operation wird der Aufbau eines das erfindungsgemäße System anwendenden Raketengehäuses anhand der Zeichnung beschrieben: Wie man sieht,"hat ein Raketengehäuse 10 aus Metall eine dichte Querwand 11 zwischen der Treibstoffkammer 12 und dem vorderen Abteil 13 der Rakete. Ein kopfseitiger Isolator 14 ist im Gehäuse 10 an der Querwand 11 und den benachbarten Bereichen der Gehäuseinnenwand dicht anliegend vorgesehen. Der kopfseitige Isolator ist im allgemeinen becherförmig mit einem zentralen Vorsprung 14 a, der in die Treibstoffkammer 12 hineinreicht, oder nach Bedarf konisch vertieft. Die ringförmige Wand 14 b des Isolators haftet an der Innenwand des Gehäuses 10 und die Basis 14 c des Isolators haftet an der Querwand 11. Ein Hals oder -Bundring 15 ist benachbart zur Auslaßöffnung der Kammer 12 angeordnet und aus dem CTPB-Material durch. Walzen bzw. Zusammenrollen gebildet.
Ein isolierender Seitenwand-Schichtkörper 16 aus dem CTPB/Asbest-Isoliermaterial und Aluminiumfolie ist längs der Innenwand der Treibstoffkammer 12 vorgesehen und reicht über die Wand 14 b des kopfseitigen Isolators 14 und auch über den Bundring 15. Die Aluminiumfolie ist dem Inhalt der Kammer 12 ausgesetzt und die Isolierschicht mit dem -Metallgehäuse 10 in Berührung. Ein kopfseitiger Begrenzer 17 ist über einem Teil des Schichtkörper 16 und der freiliegenden Innenseite des Isolators 14 (mit Ausnahme des zentralen Vorsprungs 14 a) vorgesehen. Der Begrenzer 17 dient einer Beschränkung der exponierten Treibstoffoberfläche und wird normalerweise aus einem geeigneten Elastomermaterial gebildet, das mit dem speziell in der Rakete angewandten Treibstoff verträglich ist. Vorzugsweise ist ein
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Trennmittel zwischen dem Isolator 14 und dem Begrenzer 17 angeordnet, um Spannungskonzentrationen am kopfseitigen Ende der Treibstoffüllung bei zyklischer Temperaturbeanspruchung zu vermindern.
Die Installation der unterschiedlichen Komponenten der Raketentreibstoffkammer erfolgt gemäß einer bevorzugten Ausführungsart der Erfindung wie folgt.
Das wie oben beschrieben gebildete CTPB-Bahnmaterial für die Seitenwandisolierung wird auf eine saubere Oberfläche gelegt und der Bundring 15 an einem Ende der Bahn darunter angeordnet. Dieser Bundring wird durch eine zusätzliche Schicht CTPB-Seitenwandisoliermittel gebildet, die nahe der Düse angeordnet wird, um der lokalen Erhitzung infolge von Treibstofferosion entgegenzuwirken.
Aluminiumfolie wird (von Hand) auf der isolierenden Bahn ausgebreitet und an drei oder vier Stellen längs einer Längskante angeheftet zur Bildung des Laminats oder Schichtkörpers 16. Während des nachfolgend beschriebenen Abdrückens wird die Aluminiumfolie mit der Isolierbahn verhaftet, ohne daß ein Klebstoff erforderlich wäre.
Ein Epoxy-Kleber wird auf die obere Außenfläche des kopfseitigen Begrenzers 17 aufgestrichen bzw. aufgetragen, wobei der Übergang der Außenseite mit Trennmittel abgedeckt worden war.
Der Begrenzer 17 wird an der bzw. um die Außenseite eines aufblasbaren rohrförmigen Gummibeutels benachbart zu einem Ende desselben angeordnet. Das "Seitenwandisolierungs-Sandwich" wird um den Gummibeutel und den kopfseitigen Begrenzer 17 gewickelt. Der Isolator
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wird dann auf die Seitenwandisolierung aufgesteckt. Diese Anordnung wird in das Gehäuse eingebracht
und der Gummibeutel mit 8,43 kg/cm eine Stunde lang bei 60 C aufgeblasen gehalten, um die verschiedenen. Komponenten gegeneinander und gegen die Gehäuseseitenwand zu pressen, an der diese Komponenten haften, ohne daß ein Kleber erforderlich wäre. Danach wird die Luft bzw. das Gas aus dem Gummibeutel herausgelassen und dieser aus dem nunmehr ausgekleideten Gehäuse entfernt. Das ausgekleidete Gehäuse ist dann für die Beladung mit Treibstoff fertig.
Gemäß der Erfindung wird so das Raketentriebwerksgehäuse mit einer Seitenwandisolierung ,d.h., einem Schichtkörper aus bahnförmigem CTPB-Isoliermaterial und Aluminiumfolie, versehen , der für eine Bindung mit HTPB-Treibstoffen geeignet ist. Die Erfindung umfaßt ferner ein Raketentriebwerksgehäuse mit allen seinen in einer Einzeloperation angebrachten und verbundenen Isolierkomponenten.
Zugfestigkeitsprüfungen wurden an einem Metall/-CTPB-Isolator-Aluminiumfolie/HTPB-Treibmittel-System durchgeführt. Die angewandte Aluminiumfolie war 25 p. stark. Das Dabei angewandte Verfahren ist im ICRPG Solid Propellant Mechanical Behavior Manual beschrieben und als Bond-In-Tension Test bekannt. Proben wurden 0, 14, 28, 56 und 112 Tage gealtert und ihre Festigkeit bei 22,80C bzw. -45,6°C geprüft. Die rehaltenen Ergebnisse sind in Tabelle I wiedergegeben. Alle Bruchstücke waren im HTPB-Treibstoff verhaftet.
In einem weiteren Test wurde die Bindung von Aluminiumfolie an gealtertem CTPB-Isoliermaterial geprüft. Eine frische Isolierbahn wurde bei Zimmertemperatur
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aufbewahrt und alle 7 Tage eine Probe genommen und mit Aluminiumfolie "abgefüttert".Zugfestigkeitsprüfungen an diesen Proben zeigten, daß alle Brüche an der Metallmeßblock/CTPB-Isoliermittel-Grenzflache auftraten und daß die in Tabelle II angegebenen Zerreißfestigkeiten mit dem Lagerungszustand des CTPB-Isoliermittels bei Lagerung bei Zimmertemperatur korrespondierten.
TABELLE I: Festigkeitsprüfung an CTPB-Aluminiumfutter HTPB-Treibstoff -45,6°C Bruchfestigkeit
und Zerreißfestigkeit 14,07 des Treibstoffs
Alterungsdauer (kg/cm2) (1) 14,63 (2) (kg/cm2)
bei 600C (Tage) 15,47
Zugversuchstemp eratur 19,96 6,89
600C 22,8°C 15,6 6,54
0 5,02 5,4 6,19
14 5,46 6,33
28 5,56 -
56 4,83
112 4,36
(1) bei 5,4 mm/min Prüfkörperkopfgeschwindigkeit; nach 56 d Alterung jedoch mit 12,7 mm/min;
(2) bei 5,4 cm/min Kopfgeschwindigkeit;
die Treibstoff-Festigkeit ist bei 22,80C normalerweise bei 5,4 mm/min 20 % niedriger als bei 5,4 cm/ min Prüfgeschwindigkeit;
der Ausfall bzw. "Bruch" trat bei einer dicken Treibstoffschicht stets zusammenhängend im Treibmittel auf.
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TABELLE II: Bindung; von Aluminiumfolie an gealtertes CTPB-Isoliermaterial; Festigkeitsprüfung bei 23,90C
Dauer der Isolier- ermittelte Zerreiß- Metallmeßblock/ mittelalterung festigkeit (kg/cm ) Isoliermittel (Tage) Metallmeßblock/Isoliermittel/Al-folie
16 21 28
Alle Brüche traten an der Grenzfläche Meßblock/Isoliermittel auf.
18,7 26,38
18,2 17,58
18,0 12,65
8,43 10,55
8,08 9,14
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Claims (5)

Patentansprüche
1. Isolierendes Verbundschichtsystem, gekennzeichnet durch eine erste Schicht aus einem Polybutadien-Binder mit Carboxylenden mit einer darin dispergierten Mischung von Asbestfasern und Füllstoffpulvern umfassenden Bahnmaterial und eine · damit verbundene zweite Schicht aus Aluminiumfolie.
2. Isoliersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiumfolienschicht mit der ersten Schicht lediglich durch Druck und Wärme verbunden ist.
3. Verfahren zur Auskleidung einer Raketengehäuse-Treibstoff kammerwand, dadurch gekennzeichnet, daß man ein isolierendes Verbundschichtsystem nach Anspruch 1 zu einer Rolle formt, diese in die Kammer einsetzt und von außen her einen Druck innerhalb der Rolle erzeugt bzw. aufprägt, um das isolierende Schichtsystem gegen die bzw. eine Kammerwand zu pressen unter Verhaftung der ersten Schicht des Systems mit der Wand und der Aluminiumfolienschicht durch alleinige Wirkung von Druck und Wärme.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß für den Einsatz in die Kammer eine Unter-Kombination gebildet wird, die das aufgerollte isolierende Verbundschichtsystem, ein kopfseitiges Isolatorelement und ein kopfseitiges Begrenzerelement (sowie gegebenen falls ein Düsenhalselement) umfaßt und diese Kombination in die Kammer eingesetzt und an Ort und Stelle gebracht und dort eine Bindung durch alleinige Wirkung von Druck und Wärme herbeigeführt wird.
5. Raketengehäuse mit einer Wandisolierung durch ein isolierendes Verbundsystem nach Anspruch 1.
70 98 27/0207 origwal inspected
DE2650731A 1975-11-06 1976-11-05 Isolierende Auskleidung und Verfahren zum Anbringen der Auskleidung in dem Gehäuse einer Raketenbrennkammer Expired DE2650731C2 (de)

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