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