DE2848114B2 - Heißdüse für Raketentriebwerke - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Heißdüse für Raketentriebwerke, insbes. Feststoff-Raketentriebwerke, mit einem einzigen, in einem Stück gefertigten Teil, welches die verschiedenen Abschnitte der Düse hervortreten läßt.

Eine bekannte Heißdüse der beschriebenen Gattung (DE-AS 12 03 646) besteht aus einem spiralig aufgewikkelten Gewebeband konstanter Breite mit einer Imprägnierung aus einem unter Wärmeeinwirkung aushärtbaren Kunststoff. Ein solches Material verbrennt beim Arbeiten der Heißdüst, d.h. es wird unter der Wärmeeinwirkung des auftretenden Wärmeflusses chemisch zersetzt, wobei die Rückstände Kohlenstoff enthalten, jedoch sehr porös sind. Der Kunststoff zersetzt sich ebenfalls und schmilzt sehr schnell ab, so daß die Wandstärke dieser bekannten Heißdüse entsprechend schnell abnimmt. Dann besteht die Gefahr von Rissen, Beschädigungen oder gar der Zerstörung, durch die die weitere Funktion der Heißdüse beeinträchtigt oder gar unmöglich wird. Deswegen muß man die Wandstärke ganz erheblich vergrößern, um die gewünschte mechanische Widerstandsfähigkeit sicherzustellen. Das bedeutet, daß die bekannte Heißdüse eine sehr erhebliche Masse besitzen muß, die nicht nur kostenaufwendig ist sondern auch die Masse des Raketentriebwerkes in unerwünschter Weise vergrößert.

Daneben ist eine Heißdüse bekannt (US-PS 38 26 708), die eine auf eine metallische Verkleidung aufgebrachte Auskleidung aus isolierenden Gewebeabschnitten, z. B. einem Gewebe aus Kohlcnstoffasern oder Graphit besitzt und das mit Kunststoff imprägniert ist.

Ganz allgemein hat man zum Aufbau von Heißdüsen karbonierte Stoffe verwendet. Diese bieten besondere Vorteile, nämlich ein günstiges Verhältnis zwischen mechanischer Festigkeit und Dichte, eine sehr gute Stabilität ihrer mechanischen Eigenschaften bei hoher Temperatur, einen hohen Wärmeentzug und schließlich eine Sublimationstemperatur von 4000° K.

Zunächst hat man die innere Schutzschicht einer Düse aus polykristallinen Graphit hergestellt. Dabei wurde das Strömungsteil aus einem Block herausgearbeitet und anschließend ein einer Metallbandage montiert, wobei ein Wärmeschutz wie beispielsweise ein feuerfester Kitt zwischen beiden angeordnet wurde. Das fahrte alsbald zu Grenzen die durch den Zuschnitt und die Abmessung der herstellbaren Graphitblöcke gegeben waren. Nachteilig war auch eine zu hohe Brüchigkeit des polykristallinen Graphits, der beim Abschuß völlig unbestimmbare Risse zeigte.

Infolgedessen wurde Pyrographit verwendet, um das Erosionsverhalten zu verbessern. Pyrographit gibt es in

ίο Form von Tafeln oder Platten begrenzter Dicke von etwa 1 cm. Infolgedessen war man gezwungen, derartige Platten rechtwinklig zur Achse der Düse übereinander zu stapeln, welche zwischen Teilen aus polykristallinem Graphit insbes. im Bereich des Düsenhalses fixiert wurde. Ein derartiger Aufbau führt zu einem äußerst unregelmäßigen Strömungsprofil beim Abschuß. Außerdem zwang die äußerst große Anisotropie der thermischen und mechanischen Eigenschaften des Pyrographit ein entsprechendes Spiel zum Ausgleich der Wärmedehnungen vorzusehen, wodurch die Montage der Düse kompliziert und ihre Zuverlässigkeit verringert wurde.

In neuerer Zeit wurde die innere Schutzschicht der Düse 3.MS Stoffen hergestellt, welche aus einer Mischung

2) Kohlenstoff-Kohlenstoff bestehen, wobei mehrere Herstellungsverfahren bekannt sind. Ein derartiges Material besteht aus übereinanderliegenden Gewebelagen aus Graphit oder Kohlenstoff, welche mit Hilfe von Phenoloder Furfurylliarzen verdichtet oder verfestigt sind.

jo Der Bereich des Düsenhalses besteht dabei aus mehreren übereinander angeordneten Ringen aus diesem 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 Teils bildet, wird aufgrund der Herstellungsschwierigkeilen und wegen des Verhaltens im Betrieb erforderlich, wie dies bereits bei der Herstellung von Düse aus Pyrographit der Fall war. Außerdem wurde beim Abschuß laufend festgestellt daß Pisse infolge der Ablösung der einzelnen Schichten auftraten.

Um diese Nachteile zu beheben, wurde versuchsweise der Kompositstoff aus einem multidirektionellen Gewe be hergestellt Dabei wird durch muitidirektionelles Weben ein massiver Substratblock hergestellt, aus welchem anschließend das gewünschte Düsenteil herausgearbeitet wird. Die Abmessung dieser Teile ist jedoch durch die Schwierigkeiten der Verfestigung des Gewebes und insbes. durch die Herstellungskosten des Substratblockes beschränkt Deswegen hat man die Düse aus mehreren Teilen aufgebaut welche in der gleichen Weise wie bisher montiert wurde, so daß sich die gleichen Nachteile ergaben. Andererseits hat man auch versucht ein muitidirektionelles Kompobitteil für den Halsbereich und ein herkömmliches Kompositteil aus Kohlenstoff-Kohlenstoff für den divergierenden Bereich zu verwenden. Dabei wird der Halsbereich 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. Damit lassen sich zwar Gewichtseinsparungen erzielen, es ergeben sich jedoch wieder Schwierigkeiten bei der Herstellung und Dimensionie rung der Verbindung zwischen den Teilen.

Der Erfindung hegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Heißdüse der eingangs beschriebenen Gattung anzugeben, welche selbst bei hoher Temperatur eine

sehr hohe mechanische Festigkeit besitzt und daher jedes Metallgehäuse unnötig macht. Die Düse soll in ihrem Aufbau äußerst leicht und einfach sein, gleichzeitig aber auch sehr betriebssicher sein und zu einem günstigen Preis herstellbar sein. Vorzugsweise soll die ■-, Heißdüse orientierbar, d. h. relativ zum Raketentriebwerk einstellbar oder ausrichtbar sein.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das einstflckige Teil entsprechend der Düsenform dreidimensional aus einem Kohlenstoffsubstrat gewebt und \o dann durch Einlagerung von Kohlenstoff zu einem Kohlenstoff-Kohlenstoff-Mischgefüge vsrdichtet ist.

Die erfindungsgemäße Heißdüse ist aus Fäden oder Filamenten aufgebaut, die sich dreidimersional, d. h. in allen drei Richtungen des Raumes erstrecken. Das Material ist nicht imprägniert, dafür aber verdichtet, indem die Kohlenstoffasern durch Kohlenstoffmaterial von diesen umgeben werden, so daß im Ergebnis ein Mischgefüge entsteht, das ausseht, aus Kohlenstoffmaterial aufgebaut ist. Die Verdichtrng diese Mischgefüges kann z. B. in der Dampfphase oder unter Verwendung von Pech erfolgen.

Damit entsteht eine Heißdüse mit einteiligem Aufbau, die ν esentlich einfacher, wirtschaftlicher und zuverlässiger ist als die bisher bekannten Strukturen. Derartige Heißdüsen passen sich wesentlich besser als die bisher bekannten Düsenkonstruktionen den Betriebsbedingungen an, denen sie ausgesetzt sind.

Nach bevorzugter Ausführungsform der Erfindung soll das in einem Stück gefertigte Teil einen ersten in wärmeisolierenden Ring tragen, an welchem eine Düseneinstelleinrichtung angreift, sowie einen zweiten wärmeisolierenden Ring, an welchem eine nachgiebige, ein Verschwenken des in einem Stück gefergigten Teils zulassende Abstützung angreift r,

Diese Einstelleinrichtungen sind grundsätzlich bekannt (vgl. Zeitschrift »L'Aeronautique et L'Astronautique«, Nr. 43.1973,5, Seite 25).

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der einzigen Figur dargestellten Ausfiihrungsbeispiels im 4η 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. 4^r>

Ein Raketentriebwerk, von welchem 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 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 divergiertnden Teiles 5 von zwei wärmeisolierenden Ringen 6 und 7 umgeber welche aus feuerfestem Kitt oder aus 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 2 beim Weben 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 Triebswerkes über einen Ansatz 18 fest verbundenen äußeren Metallbeschlag 12 und aus einem nachgiebigen Schichtblock 13 aus einem Elastomer, welcher zwischen den Beschlagen 11 und 12 angeordnet und vorzugsweise seitlich durch Wärmeschutzmembranen 14a und \4b geschützt ist, welche 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 triebwerksseitig 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 Düseverbundenen und mit derselben bewegbaren Ablenkplatte 16. Die Ablenkplatte 15 besitzt eine Metallseele 17, 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 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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Heißdüse für Raketentriebwerke, insbes. Feststoff-Raketentriebwerke, mit einem einzigen, in einem Stück gefertigten Teil, welches die verschiedenen Abschnitte der Düse hervortreten läßt, dadurch gekennzeichnet, daß das einstükkige Teil (2) entsprechend der Düsenform dreidimensional aus einem Kohlenstoff-Substrat gewebt und dann durch Einlagerung von Kohlenstoff zu einem Kohlenstoff-Kohlenstoff-Mischgefüge verdichtet ist

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