DE2848114A1

DE2848114A1 - Heissduese fuer raketentriebwerke

Info

Publication number: DE2848114A1
Application number: DE19782848114
Authority: DE
Inventors: Max Calabro; Alain Le Corre; Herve Girard
Original assignee: Airbus Group SAS
Current assignee: Airbus Group SAS
Priority date: 1977-11-07
Filing date: 1978-11-06
Publication date: 1979-05-17
Also published as: FR2408037B1; IT1099864B; DE2848114B2; IT7829247A0; GB2007773B; DE2848114C3; FR2408037A1; GB2007773A

Description

28481U Andrejewski, Honke, Gesthuysen & Masch Patentanwälte

Diplom-Physiker Dr. Walter Andrejewski Diplom-Ingenieur Dr.-lng. Manfred Honke Diplom-Ingenieur Hans Dieter Gesthuysen Diplom-Physiker Dr. Karl Gerhard Masch Anwaltsakte: 43 Essen 1 ,Theaterplatz 3, Postf. 789

52 b95/E-th 3. November 1978

Patentanmeldung
SOCIETE NATIONALE
INDUSTRIELLE AEROSPATIALE
J57 Boulevard de Montmorency
Paris 16, Frankreich

Heißdüse für Raketentriebwerke.

Die Erfindung betrifft eine Heißdüse für Raketentriebwerke, insbesondere für Feststoff-Raketentriebwerke.

Eine derartige Düse für Raketentriebwerke besteht im allgemeinen . aus einem äußeren Metallgehäuse, welches innenseitig mit einer Schutzschicht belegt ist, welche zumindest einen feuerfesten Stoff enthält. Tatsächlich muß die Düse gegen die erosive Wirkung der heißen Gase geschützt werden, welche durch die Verbrennung

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der Peststoffe entstehen. Die Wahl, die Ausführung und die Anordnung eines derartigen Stoffes in der Düse ergeben Probleme, welche nur äußerst schwer zu lösen sind.

Als feuerfeste Stoffe wurden im Laufe der letzten Jahre zumeist karbonierte Stoffe verwendet. Diese bieten hier besondere Vorteile , wie ein günstiges Verhältnis zwischen mechanischer Festigkeit und Dichte, eine sehr gute Stabilität ihrer mechanischen Eigenschaften bei hoher Temperatur., einen sehr hohen Wärmeentzug und schließlich eine Sublimationstemperatur von 4000 K.

Zunächst wurde ein derartiger Stoff für die innere Schutzschicht einer Düse aus polykristallinem Graphit hergestellt. Dabei wird das Strömungsteil aus einem Block herausgearbeitet und anschliessend in einer Metallbandage montiert, wobei ein Wärmeschutz wie beispielsweise ein feuerfester Kitt zwischen beiden angeordnet wird. Bei derartigen Düsen sieht man sich Grenzwerten gegenüber, welche durch den Zuschnitt und die Abmessung der herstellbaren Graphitblöcke gegeben sind. Ein weiterer Nachteil ist eine zu hohe Brüchigkeit des polykristallinen Graphits, der beim Abschuß völlig unbestimmbare Risse zeigt.

Infolgedessen wurde Pyrographit verwendet, um das Erosionsverhalten zu verbessern. Pyrographit erhält man in Form von Tafeln oder Platten begrenzter Dicke von etwa 1 cm. Infolgedessen ist man gezwungen, derartige Platten rechtwinklig zur Achse der Düse übereinander zu stapeln, welche zwischen Teilen aus polykristallinem Graphit insbesondere im Bereich des Halses fixiert werden. Ein derartiger Aufbau führt zu einem äußerst unregelmäßigen

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Strömungsprofil beim Abschuß. Außerdem zwingt die äußerst große Anisotropie der thermischen und mechanischen Eigenschaften des Pyrographits, ein entsprechendes Spiel zum Ausgleich der Wärmedehnungvorzusehen, wodurch die Montage der Düse kompliziert und ihre Zuverlässigkeit verringert wird.

In neuerer Zeit wurde die innere Schutzschicht der Düse eines Raketentriebwerkes aus Stoffen hergestellt, welche aus einer Mischung Kohlenstoff-Kohlenstoff bestehen, wobei mehrere Herstellungsverfahren bekannt sind. Ein derartiges Material besteht aus übereinanderliegenden Gewebelagen aus Graphit oder Kohlen- stoff, welche mit Hilfe von Phenol- oder Furfurylharzen verdichtet oder verfestigt sind.

Der Bereich des DUsenhalses besteht dabei aus mehreren übereinander angeordneten Ringen aus einem derartigen Material, welche im Metallgehäuse mittels eines Isoliermittels wie beispielsweise einer Phenolisolierung montiert sind. Die Verwendung dieses Isoliermaterials, welche den integrierten Teil der Düse im Raketentriebwerk und gleichzeitig des divergierenden Teiles bildet, wird aufgrund der Herstellungsschwierigkeiten und dem Verhalten im Betrieb erforderlich, wie dies bereits bei der Herstellung von Düsen aus Pyrographit der Fall war. Außerdem wurde beim Abschuß fortlaufend festgestellt, daß Risse infolge der Ablösung der einzelnen Schichten auftraten.

Bei einem Versuch, diese Nachteile zu beheben, wurde der Kompositstoff aus einem multidirektionellen Gewebe hergestellt. Dabei wird durch multidirektionelles V/eben ein massiver Substratblock

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hergestellt, aus welchem anschließend das gewünschte Düsenteil herausgearbeitet wird. Die Abmessung dieser Teile ist jedoch durch die Schwierigkeiten der Verfestigung des Gewebes und insbesondere durch die Herstellungskosten des Substratblockes beschränkt. So wurden zwei Düsenanordnungen aufgrund dieses Gewebes vorgeschlagen. Gemäß dem ersten Vorschlag besteht die Düse aus mehreren Teilen, welche in der gleichen Weise wie bisher montiert werden, sodaß sich die gleichen Nachteile ergeben. Gemäß dem zweiten Vorschlag wird ein multidirektionelles Kompositteil für den Halsbereich und ein herkömmlicheres Kompositteil aus Kohlenstoff-Kohlenstoff für den divergierenden Bereich verwendet. Dabei wird das Halsteil nur noch in Höhe der Verbindung mit dem divergierenden Teil oder mit dem Aufbau in einem Metallgehäuse festgehalten. Dagegen erfordert das divergierende Teil ein Metallgehäuse. Wenn auch dieser Düsentyp eine beträchtliche Gewichtseinsparung ergibt, so ergeben sich doch wiederum Schwierigkeiten bei der Herstellung und Dimensionierung der Verbindung zwischen den Strömungsteilen.

Die Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, eine orientierbare, d.h. einstellbare oder ausrichtbare, Heißdüse zu schaffen, welche selbst bei hoher Temperatur eine sehr hohe mechanische Festigkeit besitzt und daher jedes Metallgehäuse unnötig macht. Dabei soll die Düse in ihrem Aufbau äußerst leicht und einfach sein, gleichzeitig aber auch sehr betriebssicher sein und zum anderen zu einem günstigen Preis herstellbar sein.

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Gekennzeichnet ist eine erfindungsgemäße Heißdüse für Raketentriebwerke, insbesondere für Peststoff-Raketentriebwerke im wesentlichen dadurch, daß sie ein einziges, in einem Stück gefertigtes Teil enthält, welches die verschiedenen Teile der Düse hervortreten läßt und entsprechend der Düsenform dreidimensional aus einem Kohlenstoff-Substrat gewebt und dann verdichtet ist.

Eine derartige Düse läißt sich durch eine Düseneinstelleinrichtung sehr gut einstellen oder ausrichten, welche aus einem ersten wärmeisolierenden Ring, der das in einem Stück gefertigte Teil umgibt, und einem zweiten wärmeisolierenden Ring, an welchem eine nachgiebige, ein Verschwenken des in einem Stück gefertigten Teiles zulassende Abstützung angreift, besteht.

Die Erfindung führt zu Düsen mit einteiligem Aufbau, welcher wesentlich einfacher, wirtschaftlicher und zuverlässiger ist als die bisher bekannten Strukturen. Derartige Düsen passen sich wesentlich besser als die bisher bekannten Düsenkonstruktionen den schweren Betriebsbedingungen an, denen sie ausgesetzt sind.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der einzigen Figur dargestellten Ausführungsbeispieles im einzelnen erläutert.

Die Figur zeigt in schematischer Darstellung einen Axialschnitt durch eine erfindungsgemäße Düse und ihre Bedienungsorgane, wobei allerdings nur eine Hälfte der Düse dargestellt ist.

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Ein Raketentriebwerk,, von weichern in der Figur ein Teil des Bodens 1 sichtbar ist, besitzt eine Düse 2. Diese besteht in Form eines einteiligen Umdrehungsteiles um die Achse A aus einem Kohlenstoff-Substrat, welches durch dreidimensionale Webung (vorzugsweise gemäß dem in der französischen Patentanmeldung 77/18831 beschriebenen Verfahren) hergestellt wird, und zwar direkt in der gewünschten Form, welche insbesondere den konvergierenden Abschnitt ~3, den Hals 4 und den divergierenden Teil 5 der Düse 2 hervortreten läßt.

Diese einteilige Düse 2 ist im Bereich des divergierenden Teiles 5 von zwei wärmeisolierenden Ringen 6 und 7 umgeben, welche aus feuerfestem Kitt oder aus mit feuerfesten Fasern wie beispielsweise Kieselerde- oder Asbestfasern armiertem Kunstharz oder Preßstoff hergestellt werden können. Diese Ringe 6 und 7 sind an der Wandung der Düse 2 befestigt und stützen sich jeweils auf Ringrippen 8 und 9 ab, welche an der Außenseite der Düse beim V/eben hergestellt wurden.

Der Ring 6 ergibt die mechanische Verbindung ohne Wärmeübertragung von der heißen Wandung der Düse 2 an eine "kalte" Abstützung 10, welche die Düse 2 nachgiebig abstützt. Diese nachgiebige Abstützung 10 besteht aus einem inneren Metallbeschlag 11, welcher den Ring 6 umgibt und fest mit diesem verbunden ist, aus einem mit dem Boden 1 des Triebwerkes über einen Ansatz fest verbundenen äußeren Metallbeschlag 12 und aus einem nachgiebigen Schichtblock I3 aus einem Elastomer, welcher zwischen den Beschlägen 11 und 12 angeordnet und vorzugsweise seitlich durch Wärmeschutzmembranen 14a und l4b geschützt ist, welche

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gleichzeitig einen Schutz gegenüber dem Angriff äußerer Wirkstoffe wie Ozon ergeben. Diese Membranen sind verformbar und beispielsweise aus Gummi hergestellt.

Ein zusätzlicher Schutz dieser nachgiebigen Abstützung 10 kann triebwerkseitig vorgesehen werden. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel besteht dieser Schutz aus einer fest mit dem Boden 1 des Triebwerkes verbundenen Ablenkplatte 15 und einer fest mit der Wandung der Düse verbundenen und mit derselben bewegbaren Ablenkplatte 16. Die Ablenkplatte 15 besitzt eine Metallseele IJ, welche mit einem Kompositstoff wie einem Schichtstoff umhüllt ist. Die Ablenkplatte 16 besteht aus dem gleichen Material wie der durchgehende Ring 6 oder aus einem analogen Material. Die auf diese Weise gebildete Schikane soll die Zirkulation der heißen Gase in Richtung auf die Membrane 14a begrenzen.

Der Ring 7 trägt einen oder mehrere Metallkästen 19, wobei mit dem dargestellten Kasten über eine Gelenkverbindung 20 ein Servotrieb 21 verbunden ist, welcher die Düse um einen Drehpunkt 0 verschwenken kann und über ein weiteres Gelenk 22 mit einem Teil 23 verbunden ist, welches auf dem Ansatz 18 und damit am Triebwerk befestigt ist.

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Claims

28481U Andrejewski, Honke, Gesthuysen & Masch, Patentanwälte in Essen Patentansprüche:

1.J Heißdüse für Raketentriebwerke, insbesondere für Peststoff-Raketentriebwerke, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein einziges, in einem Stück gefertigtes Teil (2) enthält, welches die verschiedenen Teile (5* 4, 3) der Düse hervortreten laßt und entsprechend der Düsenform dreidimensional aus einem Kohlenstoff-Substrat gewebt und dann verdichtet ist.

2. Düse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das in einem Stück gefertigte Teil (2) einen ersten wärmeisolierenden Ring (7)j an welchem eine Düseneinstelleinrichtung (21) angreift, sowie einen zweiten wärmeisolierenden Ring (6) trägt, an welchem eine nachgiebige, ein Verschwenken des in einem Stück gefertigten Teiles zulassende Abstützung (10) angreift.

3· Düse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die nachgiebige Abstützung (10) aus einem am Boden (1) des Triebwerkes befestigten äußeren Metallbeschlag (12), einem an entsprechenden wärmeisolierenden Ring (6) befestigten inneren Metallbeschlag (11) und einem zwischen beiden Beschlägen angeordneten nachgiebigen Schichtblock (I3) besteht.

4. Düse nach Anspruch 3* dadurch gekennzeichnet, daß der Schichtblock (I3) seitlich durch verformbare Membranen (14a, 14b) geschützt ist.

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5· Düse nach einen, der Ansprüche 2 bis 4., dadurch gekennzeichnet., daß die nachgiebige Abstützung (10) triebwer^sseitig durch einen aus einer fest am Triebv/erKsboden (I) befestigten AdIendplatte (I5) und einer an der Wandung des in einem Stüci: gefertigten Teiles (2) befestigten und r.it diesem bewegbaren Ablenkplatte (16) bestehenden Wärmeschutz geschützt ist.

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