DE2918877A1

DE2918877A1 - Treibstofftank mit einer treibstoffausstosseinrichtung

Info

Publication number: DE2918877A1
Application number: DE19792918877
Authority: DE
Inventors: Irwin E Rosman
Original assignee: Rockwell International Corp
Current assignee: Boeing North American Inc
Priority date: 1978-05-10
Filing date: 1979-05-10
Publication date: 1979-11-22
Also published as: JPS54147517A; GB2020755A; IT1162471B; FR2425402B1; FR2425402A1; US4216881A; JPS642840B2; DE2918877C2; IT7948992A0; GB2020755B

Description

Die Erfindung betrifft einen Tank für eine Flüssigkeit mit einer Einrichtung zum Ausstoßen der Flüssigkeit. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Tank mit einer Flüssigke ausstoßeinrichtung, welche ein Diaphragma oder eine Blase umfaßt. Das die Flüssigkeit enthaltende Diaphragma wird unter einen Außendruck gesetzt und dieser das Diaphragma beaufschlagende Druck führt zum Ausstoßen des Strömungsmediums aus dem Tank, bis das Diaphragma schließlich an der gegenüberliegenden Tankwandung anliegt.

In der Luftfahrt und Raumfahrt werden Systeme zur Speicher und zum Ausstoßen von Flüssigkeiten mit einstülpbaren Diaphragmen verschiedenster Konfiguration und verschiedenster Betriebsweise verwendet. Dabei treten komplexe Probleme au Die Wahrscheinlichkeit eines Diaphragmaversagens ist bei herkömmlichen Einrichtungen hoch. Dies gilt insbesondere für den Flüssigkeitsausstoßvorgang im Falle von Metallblas Bei zusammenfaltbaren oder einstülpbaren Metalldiaphragmen kommt es häufig zu Rißbildungen in dem Diaphragma nach dem teilweisen Einfalten oder Einstülpen des Diaphragmas. Es kommt dabei nämlich leicht zu einem Zerknittern oder Bücke: der Blase vor der vollständigen Umstülpung. Hierdurch bildi sich Knickstellen, da überschüssiges Diaphragmamaterial untergebracht werden muß, und diese Buckel und Knitterbereiche müssen sich zur vollständigen Diaphragmaumstülpung wieder öffnen. Insbesondere kommt es bei Metallblasen und bestimmten Tankgeometrien zu erheblichen Problemen. Wenn die Blasenelastizität erhöht wird, z.B. durch Verwendung e^ ner Blase aus einem elastomeren Material, so treten diese Probleme in einem geringeren Maße auf. Elastomere reagiere: jedoch mit den üblichen Luftfahrt- und Raumfahrttreibstoff« Daher müssen nichtreaktive, nicht-elastomere Materialien, z.B. Metalle, verwendet werden. Metallblasen sind besonder dann wichtig, wenn der Treibstoff während einer langen Zeü gespeichert werden muß. Je stärker das Einstülpverhalten d«

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einzufaltenden oder einzustülpenden Körpers der symmetrischen Einstülpform angenähert ist, umso gleichförmiger sind die Spannungsbeanspruchungen in der Metallmembran während des Einstülpens und umso sicherer gelingt das Einstülpen des Diaphragmas und das Ausstülpen des Diaphragmas in umgekehrter Richtung. Erfindungsgemäß wird ein Verfahren angegeben, mit dem die Symmetrie des Biegezustandes von Metalldiaphragmen stets gewährleistet werden kann. Dieses Verfahren ist sowohl auf Metalldiaphragmen als auch auf nichtmetallische Diaphragmen anwendbar.

Eine Anzahl von Patenten befaßt sich mit einstülpbaren Blasen zum Austreiben einer Flüssigkeit aus einem Tank. Die US-PS 3 339 803 beschreibt einen sphärischen Tank mit einem Innendiaphragma, welches an der Innenwandung des Tanks anliegt. Der Vorgang des Einstülpens des Diaphragmas oder der Auskleidung kann im wesentlichen durch Modifikationen der Konfiguration der Grundgeometrie des Diaphragmas beeinflußt werden. Zum Beispiel können an der Außenseite des Diaphragmas spezielle Einrichtungen, z.B. Ringe, angebracht werden, um den EinstülpVorgang des Diaphragmas während des Ausstoßzyklus zu beeinflussen. Zusätzlich sind in dieser Druckschrift verschiedene Tankkonfigurationen beschrieben. Unter anderem ist auch ein langgestreckter Tank (Football-Gestalt) beschrieben und das Diaphragma wird dabei von einem spitzen Ende zum anderen umgestülpt. Der Einstülpvorgang muß dabei an dem Ende beginnen, an dem das Diaphragma eine inhärente Steifigkeit aufweist. Es ist daher erforderlich, das Diaphragma derart zu gestalten, daß das Diaphragma während des Ausstoßzyklus zwangsmäßig in den umgestülpten Zustand gelangt. Diese bekannte Konfiguration ist der erfindungsgemäßen Konfiguration diametral entgegengesetzt. Die vorliegende Erfindung beeinflußt den Vorgang des Einstülpens des Diaphragmas durch eine spezielle Grundgeometrie, d.h. durch die abgeflachte Sphäroidgestalt. Bei dieser Geometrie des Diaphragmas muß

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dieses nicht in spezieller Weise ausgebildet werden oder in spezieller Weise versteift werden, um einen ordnungsgemäßen Einstülpvorgang zu erreichen.

Die US-PS 3 404 813 beschreibt einen Tank mit einer Metallblase, wobei der Außenkörper des Tanks im wesentlichen als Kugel vorliegt. Innerhalb des Tank ist eine Blase vorgesehen, welche um einen Innenrahmen herum eingestülpt oder angefaltet wird. Der Innenrahmen umfaßt gekrümmte Stangen, welche sich radial von einem zentralen Einspeisungsrohr wegerstrecken und einen Abstand von 120° voneinander haben. Der Druck zwischen der Innenwandung der Kugel und der Außenwandung der Blase veranlaßt die Blase, sich rund um die sich radial erstreckenden Stangen einzustülpen, wodurch die Flüssigkeit zwangsmäßig in das zentrale Rohr und durch dieses ausgestoßen wird. Bei dieser bekannten Einrichtung besteht der Nachteil, daß die starre, innerhalb der flexiblen Blase vorgesehene Struktur lediglich die endgültige Gestalt der Ausstoßblase bestimmt, welche vorliegt, wenn der gesamte Treibstoff aus dem Inneren der Blase ausgestoßen ist. Eine Beeinflussung des Einstülpvorgangs oder der Einstülpzustände der Ausstoßblase während der anfänglichen oder intermediären Phasen des Ausstoßvorgangs ist nicht möglich. Während der frühen Ausstoßphasen kann daher die Blase eine große Anzahl verschiedener, willkürlicher Gestalten annehmen. Dies gilt insbesondere für den Fall, daß die Ausstoßblase in einer Rakete untergebracht ist, welche zu Manovrierzwecken Beschleunigungskräften unterliegt. Die Flüssigkeit oszilliert oder schwappt dabei von einer Seite zur anderen, während die Rakete eine Translationsbeschleunigung erfährt oder wenn während des Flugs Kippmanöver ausgeführt werden. Eine kugelförmige Blase weist eine konstante Krümmung auf. Daher kann die Einfaltung oder Einstülpung der Blase an beliebigen Stellen erfolgen, ohne jede Diskriminierung. In vielen Fällen kann die Einstülpung auch gleichzeitig an mehreren Stellen beginnen.

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In ähnlicher Weise ist ein langgestrecktes Sphäroid (Football-Gestalt) in der zur Hauptachse, d. h.zur Rotationsachse,

kreisförmig ausgebildet, so daß die gleichen unerwünschten Charakteristika bestehen wie bei einer Kugel, da die Krümmung entlang der Kreislinie gleich ist und somit der Vorgang des Einstülpens des Diaphragmas oder der Blase an beliebigen Stellen entlang der Kreisperipherie beginnen kann. In der Ebene mit elliptischer Gestalt nimmt die Krümmung zu den Enden der Hauptachse hin zu, so daß das Diaphragma an diesen Enden eine größere Steifigkeit hat. Dies begünstigt asymmetrische Biegezustände und die größte Einbiegung oder Einstülpung und somit der Startpunkt des Einstülpvorgangs liegt auf dem größten Kreis in der mittleren Ebene, welche die Hauptachse schneidet.

Die gleichen asymmetrischen Biegecharakteristika liegen auch bei zylindrischen Blasen mit partiell festgehaltenen Enden vor. Zum Beispiel beschreibt die US-PS 3 722 751 der Anmelderin eine Ausstoßblase in einem Flüssigkeitsausstoßtank mit zwei oder mehreren flussigkeitshaltigen Ausbauchungen, welche entlang des Umfangs rund um den Tankinnenraum angeordnet sind. Ein Ausstoßtank mit drei Ausbauchungen umfaßt z.B. eine innere Stützstruktur mit drei Buchten, wobei jede Bucht eine konkave Gestalt hat, welche symmetrisch zu den Außentankwandungen, die die Stützstruktur umgeben, ist. Zwischen der Innenwandung des Tanks und der Wandung der Stützstruktur befinden sich drei Metallblasen, welche der Gestalt der Ausbauchung des Tanks angepaßt sind. Jede dieser Blasen ist mit einem flüssigen Treibstoff gefüllt, und die Blasen liegen an den Wandungen der zentralen Stützstruktur an sowie an der Innenwandung des Außentanks. Gas wird unter Druck in den Raum zwischen der Innenwandung des Tanks und der·Außenseite der Blase eingeführt. Hierzu werden die Blasen veranlaßt, sich radial einwärts zu biegen oder einzubuckeln, und zwar

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zum Zentrum der Stützstruktur hin. Zur Beeinflussung des Einstülpverhaltens der einzelnen Blasen bei Beaufschlagung mit einem externen Gasdruck, insbesondere zur Beeinflussung des Ortes, an dem das Einstülpen der Blasen beginnt,und zur Herbeiführung eines festgelegten, voraussagbaren Einstülpvorgangs, wird die Wanddicke der Blase variiert. Bestimmten Flächen der Blasenoberfläche sind verschiedene Wanddicken zugeordnet. Dies ist dabei die einzige Möglichkeit, ein gleichförmiges Einstülpen der Blasen beim Ausstoßen der darin enthaltenen Flüssigkeit zu gewährleisten. Es kann jedoch der anfängliche Einstülpvorgang in jeder einzelnen Bucht an einer beliebigen Stelle ihrer gesamten Länge beginnen, so daß die Steuerung des EinstülpVorgangs in einem gewissen Maße unbestimmt ist.

Die US-PS 3 504 827 beschreibt ebenfalls einen im wesentlichen zylindrischen Ausstoßtank mit einer aus Metall bestehenden Innenblasenhälfte, welche entlang einer Longitudinalmittelebene an der Innenfläche des Zylinders befestigt ist. Die Außenwandung der Flüssigkeit enthaltenden Blase wird mit einem Außendruckmittel beaufschlagt. Der Druck besteht zwischen der Innenwandung des Tanks und der Außenfläche der Blase. Hierdurch wird die Blase veranlaßt, sich zur entgegengesetzten Innenwandung hin umzustülpen, so daß die Flüssigkeit aus dem Tank ausgestoßen wird. Dabei kommt es zu erheblichen, wahllosen, asymmetrischen Buckel- und Faltvorgängen in ähnlicher Weise wie bei dem System der zuvor erwähnten Druckschriften.

Das erfindungsgemäße Treibstoffspeicher- und -ausstoßsystem umfaßt einen Tank mit einer einlaßseitigen Tankhälfte, welche eine Einlaßöffnung aufweist, und mit einer auslaßseitigen Tankhälfte, welche eine Auslaßöffnung aufweist. Beide Tankhälften sind miteinander verbunden und bilden einen hermetisch verschlossenen Tank. Der Tank hat eine geodätische Ge-

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stalt oder Sphäroidgestalt. Insbesondere hat der Tank eine abgeplattete Sphäroidgestalt. Es kann sich dabei um ein abgeplattetes Ellipsoid oder um ein modifiziertes, abgeplattetes Ellipsoid handeln. Diese Formen ergeben sich im wesentlichen durch Rotation einer Ellipse um ihre kleine Achse. Der Ausdruck "geodätisch" betrifft allgemein eine erdkugelähnliche Gestalt, und der Ausdruck "sphäroid" bezeichnet allgemein eine Gestalt, welche der Kugel ähnelt, mit dieser aber nicht identisch ist. Diese beiden Ausdrücke werden im Sinne der vorliegenden Erfindung als Synonyme verwendet. Ein abgeflachter Sphäroidtank hat an den Polbereichen eine abgeflachte Krümmung. Bei einem abgeflachten Sphäroidtank fällt die Rotationsachse mit der kleinen Achse zusammen, und jeder Schnitt senkrecht zur kleinen Achse ist kreisförmig. Der maximale Durchmesser liegt am Äquator in der Mitte zwischen den beiden Polen, und die Pole liegen an entgegengesetzten Enden der kleinen Achse. Der Tank besitzt eine Einlaßöffnung an einem Pol und eine Auslaßöffnung am entgegengesetzten Pol der kleinen Achse. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Diaphragma an der auslaßseitigen Tankhälfte befestigt, und zwar in der Nähe der Äquatorialebene. Dabei liegt eine hermetisch dichte Verbindung entlang der Peripherie vor. Die Außenseite des Diaphragmas liegt im wesentlichen an der gleichgestalteten Ellipsoidfläche der Innenwandung der einlaßseitigen Tankhälfte an. Die Wandung des Diaphragmas ist so angeordnet, daß dieses in einer Richtung einwärtsgebogen wird, welche im allgemeinen entlang der kleinen Achse verläuft, und zwar zur Auslaßöffnung hin, wenn Druckgas durch die Einlaßöffnung eingeführt wird. Ein im Tank gespeichertes Strömungsmedium befindet sich zwischen dem Diaphragma und der auslaßseitigen Tankhälfte. Dieses Strömungsmedium wird bei der Diaphragmaeinstülpung unter Druck gesetzt und strömt während des Ausstoßvorgangs durch die Auslaßöffnung aus.

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Die Verwendung eines abgeplatteten Sphäroids führt zu den folgenden Betriebscharakteristika. Die Drehachse fällt mit der Polachse zusammen, welche identisch ist mit der kleinen Achse einer Ellipse. Der Äquator liegt in der Mitte der Ellipse in einer Ebene, welche senkrecht zur Polachse oder kleinen Achse der Ellipse verläuft. Jeder Schnitt parallel zum Äquator bildet einen vollkommenen Kreis. Der Einlaß und der Auslaß des abgeplatteten Sphäroids sind an den entgegengesetzten Polen auf der kleinen Achse angeordnet. Das Ausstoßdiaphragma besteht normalerweise aus Metall. Es ist innerhalb einer Hälfte des abgeplatteten Sphäroidtanks untergebracht. Das Diaphragma liegt zu Anfang im Einlaßbereich für das Druckmedium, und bei Beaufschlagung mit dem Druckgas wird das Diaphragma einwärtsgestülpt, und zwar zur entgegengesetzten Mantelhälfte des abgeplatteten Sphäroids hin. Der Einstülpvorgang beginnt stets in der Region des Einlasses des Druckgases. Hier liegt der größte Krümmungsradius des Diaphragmas, d.h. die geringste Krümmung des Diaphragmas, vor, und das Diaphragma wird in parallel zum Äquator verlaufenden Kreisen zunehmenden Durchmessers eingestülpt bzw. eingerollt. Die Kreise haben einen zunehmend größeren Durchmesser, während das Diaphragma sich von der Tankwandung ablöst. Die Krümmung des abgeplatteten Sphäroidtanks nimmt dabei inkrementell vom Pol her ab (Krümmung der Kreislinie), während die Krümmung der elliptischen Linie vom Pol her zum Äquator hin zunimmt. Die Einstülpkreise verlaufen konzentrisch und nehmen ständig zu, bis die Einstülpung durch die Äquatorialebene verläuft. Zur weiteren Verbesserung des EinstülpVorgangs kann die Dicke des Diaphragmas variiert werden. Zum Beispiel kann die Dicke des Diaphragmas vom Äquator zum Pol hin abgeschrägt oder abgestuft sein. Es wird jedoch schon durch die Grundgeometrie eine genügende Steifigkeit bewirkt, so daß das System im wesentlichen unempfindlich gegen Trägheitskräfte und Impulskräfte ist, welche eine unerwünschte Diaphragmabiegung bewirken könnten. Bei einer ab-

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gewandelten Ausführungsform kann die Blase auch die Gesamtinnenwandung des abgeplatteten Sphäroidtanks bedecken und dabei aber im Sinne einer Halbblase wirken.

Je stärker der Biegekörper einer achsensymmetrischen Biegeform ähnelt, umso gleichförmiger sind die Spannungen in der Membran. Bei dem erfindungsgemäßen abgeplatteten Sphäroidtank sind diese Verhältnisse optimal verwirklicht.

Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine spezielle Tankgeometrie zu schaffen in Verbindung mit einem im wesentlichen achsensymmetrisch einstülpbaren Diaphragma, so daß ein stabiler Einstülpvorgang mit gleichförmiger Spannungsverteilung im Diaphragma erzielt wird und stets ein vorhersehbarer, reproduzierbarer Einstülpvorgang gewährleistet ist, so'daß es nicht zu Störungen, kommt.

Insbesondere betrifft die Erfindung einen Flüssigkeitstank mit einem abgeplatteten Sphäroid und ein Ausstoßsystem, wobei ein Metalldiaphragma zum Ausstoßen der Flüssigkeit verwendet wird. Dabei wird das Einstülpen des Diaphragmas derart beeinflußt, daß ein unerwünschtes Buckeln oder Knittern während des Einstülpvorgangs vermieden wird.

Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, Verlagerung des Schwerpunktes aus der Polachse aufgrund der während des Ausstoßvorgangs im Tank verbleibenden Flüssigkeit zu vermeiden oder so gering wie möglich zu halten. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, einen leichten, dünnwandigen Tank und ein leichtes, dünnwandiges Diaphragmasystem zu schaffen. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, die Anzahl der Bauteile des Ausstoßsystems zu verringern. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, eine zuverlässige, hermetisch dichte Tank-Diaphragma-Verbindung zu schaffen. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, eine

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Treibstoffauslaßeinrichtung für den Auslaß des Treibstoffs durch eine einzige Auslaßöffnung zu schaffen, welche das Einschließen von Treibstofftaschen durch die Blase verhindert. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, bei einer bestimmten Tankgrundgeometrie eine Einrichtung zur Änderung der Tankvolumenkapazität vorzusehen.

Die vorliegende Erfindung bietet im Vergleich zu den herkömmlichen Einrichtungen den Vorteil, daß der Einstülpvorgang in optimaler Weise verläuft, so daß ein wahlloses Buckeln oder eine Knickbildung durch das überschüssige Diaphragmamaterial während des Einstülpvorgangs vermieden wird. Hierdurch wird ein Reißen des Diaphragmas während des Einstülpens oder während des Rückstülpens im wesentlichen vermieden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung, teilweise im Schnitt, eines Vortriebsaggregats mit einem abgeplatteten Sphäroidtank zur Veranschaulichung von dessen Lagebeziehung zu einem Triebwerk;

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie 2-2 der Fig. 1 zur weiteren Veranschaulichung der Lagebeziehung zwischen dem abgeflachten Sphäroidtank und den anderen Komponenten des Vortriebsaggregats;

Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie 3-3 der Fig. 2 zur Veranschaulichung des kreisförmigen Querschnitts des abgeplatteten Sphäroidtanks in einer Ebene, welche parallel zum Äquator des Tanks verläuft;

Fig. 4 eine Ansicht des abgeplatteten Sphäroidtanks, teilweise im Schnitt, mit dem Innendiaphragma und weiteren Einrichtungen;

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht eines Segments des Tanks, teilweise im Schnitt und teilweise weggebrochen,

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zur Veranschaulichung des Austreibens des Strömungsmediums aus dem Tank;

Fig. 6 eine partielle Schnittansicht des Tanks im Bereich des Äquators, in dem die beiden Tankhälften miteinander verbunden sind, zur Veranschaulichung der Verankerung des Diaphragmas;

Fig. 7 einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform des Tanks mit einer anderen Art der Verankerung des Diaphragmas;

Fig. 8 eine Teilansicht des Befestigungsrings für die Tankhalterung rund um den Äquator des Tanks, wobei der Befestigungsring zur Befestigung der Tankbefestigungsstreben dient;

Fig. 9 eine teilweise weggebrochene Ansicht eines Segments des Tanks mit den Halterungsorganen, welche am äquatorialen Befestigungsring befestigt sind;

Fig. 10 eine teilweise weggebrochene Schnittansicht eines Segments eines weiteren, am Tankbefestigungsring befestigten Halterungsarms;

Fig. 11 eine teilweise im Schnitt gezeigte Teilansicht einer abgewandelten Ausführungsform des abgeflachten Sphäroidtanks mit einem abgewandelten Diaphragma;

Fig. 12 eine teilweise im Schnitt gezeigte Teilansicht einer weiteren Ausführungsform des abgeflachten Sphäroidtanks mit einer weiteren Abwandlung des Diaphragmas;

Fig. 13 eine Teilansicht des Diaphragmas der Ausführungsform der Fig. 12;

Fig. 14 eine Teilschnittansicht des Tanks zur Veranschaulichung des Diaphragmas im teilweise eingefalteten Zustand;

Fig. 15 eine elliptische Kontur und eine überlagerte, geodätische Kontur (modifizierte elliptische Kontur);

Fig. 16 eine graphische Darstellung zum Vergleich der Krümmung eines abgeplatteten Sphäroidtanks mit elliptischer Kontur und eines abgeplatteten Sphäroidtanks mit modifizierter elliptischer Kontur;

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Fig. 17 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung der Parameter der modifizierten geodätischen Kontur des abgeplatteten Sphäroidtanks;

Fig. 18 die Einfaltcharakteristika des Diaphragmas oder Balges oder der Blase der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 19 ein Diagramm zur Veranschaulichung des prozentualen Diaphragma-Austreibvolumens bei einem Diaphragma mit verschiedenen Einstülpzuständen; und

Fig. 20 eine graphische Darstellung der Diaphragmaeins tülp-Nenncharakteristik bei einem abgestuften Diaphragma.

Fig. 1 zeigt ein allgemein mit 10 bezeichnetes Vortriebsaggregat mit einem Außengehäuse 12, einem zentralen Triebwerk 14 und mindestens einem Paar abgeplatteter Sphäroidtanks 18. Die Tanks sind zu beiden Seiten des zentralen Triebwerks angeordnet und durch eine Anzahl von Tankstreben 64 an einem Rahmen 16 gelagert. Die Tankstreben 64 erstrecken sich zwischen einem Befestigungsring 62 für die Tankhalterung am Äquator des Tanks und dem Rahmen 16. Die Tanks 18 sind derart ausgebildet, daß das Strömungsmedium axial nach innen zum Triebwerk 14 hin ausgetrieben wird. Die beiden Tanks treiben den Treibstoff gleichzeitig aus, so daß ein Ungleichgewicht oder eine Unwucht der Rakete oder des Abschußfahrzeugs verhindert wird. Die Treibstofftanks 18 bestehen aus einer außenbordseitigen Hälfte 24 und einer dem Triebwerk 14 am nächsten gelegenen innenbordseitigen Hälfte 22. Die beiden Tankhälften sind entlang der Äquatorialebene 26 miteinander verbunden. Einzelheiten dieser Verbindung sind in Fig. 4 gezeigt. Ein Diaphragma, ein Balg oder eine Blase 36 (Fig. 4) ist im Inneren des Tanks angeordnet und dient dem Austreiben des als Strömungsmedium vorliegenden Treibstoffs durch einen Treibstoffauslaß 46,und ein gasförmiges Druckmedium wird in den Raum zwischen der Innenfläche des Tankmantels 20 und der

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Außenfläche der Blase 42 eingeführt. Dies führt dazu, daß das Diaphragma zwangsmäßig radial einwärtsgestülpt wird und der Treibstoff durch den Treibstoffauslaß 46 ausgetrieben wird. Das Diaphragma 36 wird entlang der kleinen Achse 30 des abgeflachten Sphäroidtanks 18 eingestülpt. Das Diaphragma ist entlang des Äquators zwischen den beiden Tankhälften und 24 befestigt oder eingespannt, wie dies in Fig. 4 näher dargestellt ist. Der in Fig. 1 mit gestrichelten Linien dargestellte, gegenüberliegende Tank 18 ist in gleicher Weise aufgebaut und arbeitet in gleicher Weise wie der obige abgeflachte Spharoidtank. Die beiden Tanksysteme können z.B. für ein Doppeltreibstoff-Raketentriebwerk vorgesehen sein. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Sphäroidtanks durch ein verstärkendes Filamentmaterial 63 verstärkt. Dieses Filamentmaterial besteht aus Filamentwindungen, welche nach der Zusammenfügung der beiden Tankhälften um den Tank gesponnen werden. Hierdurch kann der Tank besser dem gegen die Wandungen ausgeübten Innendruck standhalten. Die Filamentwindungen werden im Polbereich 68 stärker ausgeführt, so daß die Festigkeit entlang der Polachse erhöht wird. Dies wirkt dem Innendruck entgegen, welcher die Pole auseinanderzudrücken versucht. Am Äquator 26 des abgeflachten Sphäroidtanks ist ein Befestigungsring 62 für eine Tankhalterung vorgesehen. Dieser Befestigungsring 62 dient der Anbringung von Organen zur Verankerung verschiedener Streben 64, welche sich vom Befestigungsring 62 zum Rahmen 16 erstrecken. Getrennte Filamentwindungen 60 sind über dem Befestigungsring rund um den Äquator 26 vorgesehen und verleihen dem Tank zusätzliche Festigkeit in Richtung der Hauptachse 28. Sie dienen auf diese Weise der zusätzlichen Verankerung des Befestigungsrings 62 am Äquator 26.

Im folgenden wird auf Fig. 2 Bezug genommen, welche die Befe~ stigung des abgeflachten Sphäroidtanks am Rahmen 16 zeigt.

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Bei Einführung des Gasdruckmittels durch den Druckmitteleinlaß 44 des Tanks wird das Diaphragma entlang der kleinen Achse 30 eingestülpt, so daß der als Strömungsmedium vorliegende Treibstoff durch den Treibstoffauslaß 46 ausgetrieben wird. Der auf der entgegengesetzten Seite angeordnete Tank arbeitet gleichzeitig, so daß die Verteilung des Gewichts des Treibstoffs innerhalb der Rakete gleichmäßig ist und somit die für die Lage des Schwerpunktes wesentlichen Parameter nicht gestört werden. Dies ist wichtig für die Flugstabilität.

Fig. 3 zeigt den abgeflachten Sphäroidtank 18 in einer Ansicht entlang der kleinen Achse 30. In dieser Ansicht kommt die kreisförmige Konfiguration des Tanks zum Ausdruck. Man erkennt, daß bei dem Austreibungszyklus das Innendiaphragma derart zur entgegengesetzten Wandung 23 (Fig. 4) der Tankhälfte 22 hin eingestülpt wird, daß die Einstülpung des Diaphragmas von einem kleinen Ringbereich 37 zu zunehmend größeren, konzentrischen Ringen 39 und 41 voranschreitet, wobei das Diaphragma zunehmend von der Innenfläche 25 (Fig.4) der Außenhälfte 24 abgelöst wird und in Anlage an der Innenfläche 23 der innengelegenen Hälfte 22 kommt. Auf diese Weise wird eine unerwünschte Einfaltung des Innendiaphragmas während der Einstülpung des Diaphragmas verhindert. Dies gelingt auf einfachste Weise lediglich durch die besondere Konfiguration eines abgeflachten oder geodätischen Sphäroidtanks.

Der Tankmantel 20 besteht in beiden Hälften 22 und 24 aus einem zweckentsprechenden Material, wie Aluminium 5086. Innerhalb der außenbordseitigen Mantelhälfte 24 ist ein allgemein mit 36 bezeichnetes, metallisches Diaphragma vorgesehen. Dies besteht z.B. aus einem getemperten Reinaluminiummaterial (1100-0), welches von Alcoa hergestellt wird. Die Außenfläche 42 des Diaphragmas 36 ist der Innenfläche 25 der

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außenbordseitigen Tankhälfte 24 genau angepaßt_o L>as Diaphragma ist im abgeflachten Sphäroidtank 18 entlang der Äquatorialebene 26 befestigt. Die Endkante 27 (Fig. 6) der innenbordseitigen Tankhälfte 22 stößt an die Endkante 29 der außenbordseitigen Tankhälfte 24 an. Eine Lippe 32 ist am Rand der außenbordseitigen Tankhälfte 24 ausgebildet. Eine eingepaßte Lippe 34 ist am Rand 27 der Tankhälfte 22 ausgebildet und der Rand 38 des Diaphragmas ist an die Lippe 34 angepaßt und bei 43 metallurgisch mit dem Rand 27 der Tankhälfte 22 verbunden. Auf diese Weise ist der periphere Rand 38 des Diaphragmas 36 innerhalb des Sphäroidtanks 18 (Fig. 6) befestigt. Natürlich kann der periphere Rand 38 aus Gründen der leichteren Austauschbarkeit auch zwischen den Tankhälften durch Bolzen befestigt sein. Am Druckmediumeinlaß 44 für die Druckbeaufschlagung des Tanks (Fig. 4), durch den ein Druckmedium, z.B. ein Gas wie Helium, eingeführt wird, ist eine Verteilerplatte 41 vorgesehen. Der Bereich der Tankhälfte 24, welcher den Einlaß 44 und die Platte 41 umgibt, bildet eine Kammer 47 für den Eintritt des Druckmediums. Eine Vielzahl von Öffnungen 45 ist in der Platte 41 gleichmäßig verteilt angeordnet und dient der gleichmäßigen Verteilung des Druckgases über einen Abschnitt 37 des Diaphragmas 36. Hierdurch wird die Einstülpung des Diaphragmas eingeleitet.

Fig. 5 zeigt eine allgemein mit 48 bezeichnete, scheibenförmige Struktur, welche einen Ausströmraum für den Treibstoffauslaß bildet. Die Struktur 48 dient der Leitung des Strömungsmediums aus der Tankmäntelhälfte 22 heraus zum Auslaß 46 hin (Fig. 4). Die Struktur 48 bildet eine kreisförmige Scheibe 50 mit einer Reihe von konzentrischen Strömungswegen oder Strömungsmittelkanälen 52 unter der Scheibe. Speichenartige Kanäle 53 schneiden die jeweiligen konzentrischen Strömungskanäle und dienen der Strömungsführung des Treibstoffs in eine Kammer 56 und zum Auslaß 46 hin. Die Kanäle

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52, 53 bieten zusätzlich zum Auslaß 46 weitere Auslässe für den Treibstoff, falls das Diaphragma sich über die Auslaßöffnungen 54 legt, welche unmittelbar über dem Auslaß 46 vorgesehen sind, und zwar während der letzten Phasen der Treibstoffaustreibung aus dem abgeflachten Sphäroidtank 18. Die Scheibe 50 erstreckt sich vom Auslaß 46 weit genug nach außen, so daß sichergestellt ist, daß während der letzten Phasen der Austreibung des Treibstoffs keine Treibstofftaschen verbleiben. Der Treibstoff strömt durch die Öffnungen 54 in die Kanäle 52, 53 zwischen dem Boden der Scheibe und der Innenfläche 23 der Tankmantelhälfte 22 zum Auslaß 46 hin. Eine vergrößerte Kammer 56 ist zwischen der scheibenförmigen Struktur 48 und der Innenfläche 23 der Tankmantelhälfte 22 ausgebildet. Sie dient der Erleichterung des Ausströmens des Treibstoffs aus dem Tank 18 und durch die Öffnung 46.

Fig. 6 zeigt in vergrößerter Darstellung die Befestigung des Diaphragmas 36 im Äquatorbereich 26 durch Einspannen des Randbereichs 38 des Diaphragmas 36 zwischen der Mantelhälfte 22 und der Mantelhälfte 24. Wie bereits erwähnt, weist die Mantelhälfte 24 eine Lippe 32 auf, welche in der Nähe der Äquatorialebene 26 ausgebildet ist. Andererseits weist die Mantelhälfte 22 eine Lippe 34 auf mit einer Außenfläche 34a, welche an der Fläche 32a der Lippe 32 der Mantelhälfte 24 anliegt. Eine Lippe 38 des Diaphragmas 36 ist zwischen der Lippe 34 der Mantelhälfte 22 und der Lippe 32 der Mantelhälfte 24 eingeklemmt. Die Kante 38 des Diaphragmas 36 ist an der Verbindungsstelle 43 mit der Mantelhälfte 22 verbunden, so daß die Kante 38 fest an der Mantelhälfte 22 anhaftet. Eine weitere Verbindung ist bei 51 vorgesehen. Hierdurch sind die Mantelhälften 22 und 24 metallurgisch miteinander verschweißt. Auf diese Weise wird der Gesamtmantel des abgeflachten Sphäroidtanks gebildet. Die zweite Schweißverbindung stellt eine vollständige dichte Verbindung zwischen

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den beiden Mantelhälften 22 und 24 her. Somit bildet die Schweißverbindung 51 mit anderen Worten eine Hilfsdichtung oder redundante Dichtung zusätzlich zur Dichtung 43, um sicherzustellen, daß der Treibstoff nicht aus dem Inneren des Diaphragmas zur Außenseite des Tanks gelangen kann, und zwar durch Undichtigkeiten im Äquatorbereich. Eine abgewandelte Ausführungsform ist in Fig. 7 gezeigt. Hier ist das Diaphragma 36 mit der Mantelhälfte 22 an einer Verbindungsstelle 100 verbunden. Die Mantelhälfte 24 wird nachfolgend mit einer Lippe 103 eingesetzt und an einer Verbindungsstelle 104 metallurgisch mit der Mantelhälfte 22 verbunden. Ein enger Spalt 106 wird zwischen der Mantelhälfte 24 und dem Diaphragma 36 vorgesehen. Hierdurch wird die Verbiegung des Diaphragmas so gering wie möglich gehalten und somit ein guter Paßzustand gewährleistet.

Das Diaphragma wird vorzugsweise am Äquator 26 befestigt. Man kann natürlich auch ein Diaphragma verwenden, welches sich über die gesamte Innenfläche der beiden Mantelhälften 22 und 24 erstreckt und am Auslaßbereich der auslaßseitigen Mantelhälfte befestigt ist. Somit kann das Diaphragma auch die Gestalt einer vollständigen, abgeflachten Sphäroidblase haben anstelle der abgeflachten Halbsphäroidgestalt der gezeigten Ausführungsform. Auch bei einer solchen Blasenform stülpt diese sich in der oben beschriebenen Weise ein. Die Tankbereiche und Diaphragmabereiche können bei 31 konisch ausgebildet sein, so daß hier keine Krümmung oder eine konstante Steigung vorgesehen ist. Diese konische Ausbildung in der Nähe des Äquators ist in Fig. 6 gezeigt und in Fig. 16 graphisch dargestellt.

Im folgenden wird auf die Fig. 8, 9 und 10 Bezug genommen. Wie bereits in den Fig. 1 bis 3 gezeigt, ist der Tank 18 an einem Rahmen 16 durch eine Reihe von Streben 64 befestigt. Nach der metallurgischen Verbindung der beiden Tankhälften

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des Tanks 18 gemäß den Fig. 6 und 7 wird der Tank im Äquatorbereich mit einem Befestigungsring 62 versehen, welche den Tank umgibt und verstärkt. Bei diesem Befestigungsfing 62 handelt es sich um einen sich um den Umfang am Äquator erstreckenden Gurt, welcher zur Verankerung einer Reihe von Befestigungsorganen für die Streben 64 dient. Der Ring 62 ist an einer oder mehreren Stellen 65 gespalten und dies dient dem Anlegen des Befestigungsrings an den Äquatorbereich des Tanks eines geeigneten Befestigungsorgans, z.B. eines Gürtels, wobei ein Abstandselement 67 in den Trennspalt eingelegt wird, damit der Befestigungsring eng an den Tank angepaßt werden kann. Zum Beispiel bildet gemäß Fig. 8 der Äquatorialbefestigungsring 62 ein Organ zur Befestigung eines Strebenverankerungsblocks 74 in einem Kanel 71 des Rings 62. Fig. und 10 zeigen ähnliche Strebenverankerungsorgane 76, welche am Ring 62 befestigt sind. Der Ring 62 trägt somit eine Vielzahl von Strebenverankerungsblöcken, welche an strategischen Stellen rund um den Ring verteilt sind und der Halterung des Tanks 18 dienen. Der Strebenverankerungsblock 76 in den Fig. 9 und 10 ist abgewinkelt, so daß die Strebe 64 bequem daran befestigt werden kann, welche der Halterung am Rahmen 16 des Gehäuses 12 des Fahrzeugs gemäß den Fig. 1, 2 und 3 dient. Ein Schnitt des Rings 62 ist in Fig. 10 gezeigt. Man erkennt, daß der Ring 62 zusätzlich durch die in Umfangsrichtung gewickelten Filamentwindungen 60 gehalten ist. Diese Windungen 60 sind über den Äquatorialring 62 rund um den Äquator des Tanks gewickelt. Sie tragen dazu bei, den Ring an den aneinander befestigten Tankhälften 22 und 24 zu befestigen, und ferner verleihen diese Windungen dem Tank zusätzliche Festigkeit in einer Richtung parallel zur kleinen Achse des abgeplatteten Sphäroidtanks. Ferner sitzt der Ring 62 auf einem elastomeren Band 69, welches eine nachgiebige Barriere zum Auffangen von Stoßen von den am Rahmen 16 befestigten Streben 64 (Fig. 1) ergibt. Ein Kappenring 73 kann metallurgisch am Ring 62 befestigt sein und verleiht dem

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Befestigungsring 62 zusätzliche Festigkeit.

Gemäß Fig. 4 werden gesonderte Filamentwindungen 63 in polarer Richtung rund um den gesamten Tank gewickelt. Diese Wicklung besteht z.B. aus extrem festem Material, z.B. aus Kevlar 49 Faser (DuPont) mit einer Faserzugfestigkeit von

2 p

mindestens 300 000 psi (1 psi = 450 g/2,54 cm ). Ferner enthält die Wicklung ein Epoxyharz. Sie erhöht die Widerstandsfähigkeit gegen den Innendruck des Treibstoffs und beeinflußt das Biegeverhalten des Tanks..

Fig. 11 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des abgeplatteten Sphäroidtanks, wobei das Diaphragma allgemein mit 80 bezeichnet ist und eine Konfiguration aus Schichten 82 variierender Dicke aufweist. Das Diaphragma wird hergestellt durch chemische Bearbeitung des metallischen Diaphragmas 80 zur Erzeugung eines dünnen Bereichs in der Nähe des Pols neben dem Druckeinlaß 44. Sodann nimmt die Dicke des Diaphragmas zunehmend zum Äquator des Tanks 18 hin zu. Diese Konfiguration bietet eine zusätzliche Sicherheit dafür, daß das Diaphragma vor dem Einstülpen desselben von der Tankwandung weg zunächst nicht in der Nähe des Äquators einbuckelt. Dabei ist der Einstülpvorgang in der Hauptsache ein Einrollvorgang. Die abgestuften Dickenbereiche tragen ferner dazu bei, daß der jeweilige Einstülpzustand parallel zum Äquator verläuft. Hierdurch erhält man eine zusätzliche Sicherheit im Sinne eines gleichförmigen Einstülpens des Diaphragmas 80. Es sollte jedoch darauf hingewiesen werden, daß das Diaphragma nicht abgestuft sein muß und daß allein schon die abgeflachte Sphäroidkonfiguration das Diaphragma zwingt, sich durch die Äquatorebene hindurch einzustülpen, und zwar in sich ständig erweiternden, konzentrischen Ringen gemäß Fig.4.

Fig. 12 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform, wobei eine Reihe von konzentrischen, ringförmigen Vertiefungen oder

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Rinnen 40 im Diaphragma 36 ausgebildet ist. Diese Vertiefungen o'ler Sicken wirken ebenfalls im Sinne einer Gewährleistung eines Einstülpvorgangs, welcher in sich ständig erweiternden, konzentrischen Ringen parallel zum Äquator voranschreitet. Auch diese Sicken wirken somit im Sinne eines gleichförmigen Einstülpens des Diaphragmas 36 zur entgegengesetzten Wandung des Tankmantels 22 hin (nicht gezeigt).

Fig. 13 zeigt eine partielle, perspektivische Ansicht des Diaphragmas 36 gemäß Fig. 12 mit den konzentrischen Ringen. Fig. 14 zeigt das Diaphragma 80 während des Austreibvorgangs, bei dem das Diaphragma 80 teilweise einwärtsgestülpt ist. Man erkennt, daß das Diaphragma einwärtsgerollt wird und dabei von der Innenfläche 25 der Tankmantelhälfte 24 abrollt, und zwar in Form eines sich ständig erweiternden, konzentrischen Ringmusters bis hin zum Äquator. Die Stufen 82 bilden eine zusätzliche Gewähr dafür, daß das Diaphragma 80 gleichförmig von der Oberfläche 25 des Mantels 24 abrollt. Schließlich fällt das Diaphragma 80 vollständig zusammen und kommt zur Anlage an der allgemein mit 48 bezeichneten Scheibenstruktur gemäß Fig. 5» so daß im wesentlichen das gesamte Strömungsmedium durch die Scheibenstruktur 48 zum Auslaß 46 hin ausgetrieben wird.

Es sollte bemerkt werden, daß die äußere Gestalt des Tanks 18 nicht einem perfekten, ellipsoiden, abgeflachten Sphäroid entsprechen muß. Vielmehr kann es sich auch um eine modifizierte Ellipsoidkontur handeln, vorausgesetzt, daß der Krümmungsradius an jeder Stelle der Kontur in Richtung vom Pol zum Äquator hin abnimmt. Durch Bereitstellung einer Krümmung, welche im Polbereich relativ flach ist und im Äquatorbereich relativ stark gekrümmt ist, erzwingt man den Beginn des Einstülpens des Diaphragmas oder der Blase im Polbereich, so daß das Diaphragma sich in einer Reihe von konzentrischen,

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sich, stets erweiternden Ringen von dem dem Druckeinlaß am nächsten gelegenen Pol zum Äquator hin in die gegenüberliegende Tankmantelhälfte hinein einstülpt. Man erkennt somit, daß die Tankgestalt fast eine Kugelgestalt sein kann, solange nur die Länge der kleinen Achse kurzer ist als der Äquatordurchmesser. Ein bevorzugtes Verhältnis A/B des Radius A des Äquators zum Abstand B zwischen dem Äquator und einem der Pole beträgt etwa 1,4 und liegt allgemein im Bereich von 1,2 bis 1,9.

Im folgenden wird auf Fig. 15 Bezug genommen. Diese veranschaulicht zwei verschiedene Konturen. Eine dieser Konturen bildet die Gestalt eines Quadranten eines ellipsoiden, abgeflachten Sphäroidtanks zwischen der Polachse und dem Äquator. Die andere Kurve bildet eine modifizierte geodätische Kontur, welche insbesondere für mit Filamentgarn umwickelte Tanks geeignet ist. Die in Fig. 15 gezeigte modifizierte, ellipsoidische oder geodätische Kontur bildet eine optimale Gestalt für einenmit Filamentgarn umwickelten Tank. Diese optimale Gestalt selbst stellt sicher, daß die Spannung in Richtung der Fasern der Filamentumwicklung im wesentlichen konstant ist und innerhalb des zulässigen Festigkeitsbereichs der Verbundumwicklung liegt. Die Spannungen in Richtung der in Ringrichtung zum Äquator verlaufenden Umfangslinien und in Richtung der Meridiane bilden an jeder Stelle entlang der Umwicklung des geodätischen Tanks die Hauptspannungskomponenten, welche die resultierende Faserspannung in Richtung der Faser definieren.

Die in Fig. 16 gezeigte graphische Darstellung zeigt die Unterschiede der Krümmungsradien bei einem ellipsoiden Tank einerseits und bei einem modifizierten ellipsoiden Tank andererseits. Die Kurve des modifizierten ellipsoiden Tanks hat in der Nähe der Pole einen größeren Krümmungsradius (etwa 90 cm) als die Ellipsoidkurve, deren Krümmungsradius etwa

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63,5 cm beträgt. Die Ellipsoidkurve zeigt einen Steigungsverlauf, welcher abweicht vom Steigungsverlauf des modifizierten Ellipsoids. Beide zeigen jedoch eine abnehmende Krümmung vom Äquator zum Pol hin. Der modifizierte Ellipsoidkörper zeigt eine Rate der Steigungsänderung, welche für einen mit Filamentgarn umwickelten Tank optimaler ist.

Fig. 17 zeigt einen modifizierten geodätischen, abgeplatteten Sphäroidkörper mit den in der nachfolgenden Tabelle definierten Koordinaten. Zum Beispiel kann ein Tank vorgesehen sein, bei dem A = 46,50 cm und B = 32,54 cm und durch ein Verhältnis A/B von 1,42. In der nachfolgenden Tabelle sind alle Längenangaben in Einheiten von 2,54 cm angegeben. Die Abmessungen R und Z definieren die jeweiligen Koordinaten einer Reihe von Konturpunkten der Tankkontur. Ferner ist die Dicke der Verbundbewicklung mit Garn und Fhenoxyharz an der jeweiligen Stelle angegeben. Ferner ist der Krümmungsradius R₁ an der jeweiligen Stelle angegeben, sowie die Länge der Normalen von der jeweiligen Stelle bis zur kleinen Achse R₂. Schließlich ist für die jeweilige Stelle auch der Winkel 0 von der Äquatorebene aus gemessen (°) angegeben.

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Tankkontur

Verbundbewick- lungsdicke

1
2
3
4
5
6
7
8
9

10

12

13

14

15

16

17

18

19

20

18.307
17,563
17.398
17/182
16,919
16,611
16.'261
15^872
15.446
14.'986
14,496
13,979
13:438
12,876
12.297
Π'703
Π; 097
10.483
9', 863
9,240
8,617
7,997
7,384
6,782
6.196
5^y,633
5;390

4,912
4.434
3.'956
3 478
3.000
0,000

0,000 3.500 4.156 4',808 5,441 6.054 6j 643 7,205 7,739 8,243 8,716 9,157 9,566 9 943 10.287 10,600 10.882 11,134 11.357 n.'554 11 725 11.872 11 997 12.101 12.Ί86 12.254 12,278 12,326 12.373 12,421 12.468 12,'516 12,810

O.0320 O',0334 0,0337 O 0342 0,0347 O.0354 O:0362 0,0371 O.0382 O.0395 O!0409 0,0425 O 0443 O.0464 O'0488 0.0515 O'0546 O 0582 010623 O;0672 O,'0730 O10800 O.0833 Ο.Ό988 O,'l122 0,1298 0,1414 0,1693 0,2190 0.4110 O ,'3638 O 3855

9.235

9.^392

9,539

9.716

9.'926

10.Ί71

10,454

10,776

11,143

11,558

12,028

12,558

13.156

13.834

14 602

15 478 16.480 17,'636 18,983 20,573 22,488 24,869 27,999 32.566 35/552

18,162
18,391
18,654
18.984
19.'374
19.' 927
,'346
;

21.602
22'350
23.188
24^123
25,164
26,323
609
29.035
.'614
32.355
34'265
36,340
38,560
40,865
1
45.114
45/805

12..000 12.000 16^284 20.519 24^692 28,792 32,807 36.726 40,'540 44,240 47.816 51:262 54.'570 57^735 60.749 63 ,'609 66.310

71 .'220 73 .'421 75.449 77.301 78/971 80.' 455 81.745 82.825 84.'403 84,403 84,⁷403 84,403 84U03 84,403

Fig. 18 zeigt die Dicke des Diaphragmas zwischen den abgestuften Punkten 1, 2 und 3 entlang der Krümmung vom Pol zum Äquator. Die Tabelle zeigt ferner das prozentuale ausgetriebene Volumen bei der Einstülpung des Diaphragmas bis zu dem jeweiligen Punkt sowie die Druckdifferenz des auf das Diaphragma exnwirkenden Drucks für ein Einstülpen (bevorzugtes Verhalten) oder für ein Einbuckeln. Wenn z.B. das Diaphragma

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as

bei der Einstülpung Ms zur Stelle 3 voranschreitet, so rollt es sich über die Dicken von 0,030, 0,040 und 0,047 (jeweils in Einheiten von 2,54 cm gemessen) ein. Das ausgetriebene Volumen beträgt an der Stelle 3 16,5% des Gesamtvolumens des im Tank enthaltenen Strömungsmediums. Ferner beträgt an der Stelle 3 der Druck für die Fortführung der Einstülpbewegung 3,54 psi. Für ein Einbuckeln wäre ein zusätzlicher Druck von 17,0 psi erforderlich.

Fig. 19 zeigt ein schematisches Diagramm der Gestalt des Diaphragmas beim Einstülpen an den verschiedenen Einstülpstellen.

Fig. 20 zeigt den Nenn-EinstülpVorgang bei einem abgestuften Diaphragma, wobei das Diaphragma am dünnsten im Polarbereich ist und in den Stufen 1, 2 und 3 zunehmend dicker wird, und zwar zum Äquator hin, wie zuvor anhand der Fig. 18 erläutert. Der zu erwartende Einstülpvorgang beim Einstülpen des Diaphragmas ist durch die diskontinuierliche Kurve der Abhängigkeit von Δ PSI von der prozentualen Diaphragmaeinstülpung definiert. Im folgenden wird auf diese Kurve Bezug genommen sowie auf die zusammenfassende Tabelle der Fig. 18. Der anfängliche Einstülpvorgang tritt bei etwa 1,3 Δ P an der Stelle 0 ein, wo der flache Bereich beginnt. Das Einstülpen an der Stelle 1 beginnt mit 3,3 Δ P (t = 0,040). Hier tritt ein Einbuckeln nicht ein, da hierzu ein Druck von 4,1 Δ Ρ erforderlich wäre. Bei fortschreitendem Einroll- oder Einstülpvorgang bis zur Stelle 2 hin nimmt die Dicke zu (0,047) und nun sind für das weitere Einstülpen 3,5ΔΡ erforderlich (für das Buckeln ^ P = 9,4). Das Einstülpen oder Einrollen setzt sich nun bis zur Stelle 3 fort. Der Druck fällt entlang der Einrollkurven ab, da der Durchmesser zunimmt. An der Stelle 3 beträgt /$ P 3,45 (der größere Durchmesser kompensiert die erhöhte Dicke von 0,054). ^ P für das Buckeln steigt jedoch auf 17,0 aufgrund der erhöhten Dicke und der verringerten Krümmung. Somit fährt das Diaphragma mit der Einstülpbewegung bis zum Äquator hin fort und nun ist der Einstülpzustand vollständig.

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1A-2708
77R28

ROCKWELL INTERNATIONAL CORPORATION El Segundo, California, USA

Treibstofftank mit einer Treibstoffausstoßeinrichtung

Zusammenfassung:

Es wird ein geodätischer, abgeflachter, sphäroid-förmiger Tank beschrieben, welcher ein in dem Tank untergebrachtes, einstülpbares Diaphragma enthält. Flüssiger Treibstoff wird in dem Tank untergebrachten Diaphragma gespeichert. Der Treibstoff wird durch eine Auslaßöffnung des Tanks ausgestoßen, indem man durch eine Einlaßöffnung des Tanks ein Druckmedium zwischen der Innenwandung des Tanks und der Außenwandung des Diaphragmas einführt. Die abgeplattete Sphäroidgestalt der Diaphragma/Tank-Kombination führt zu einem optimalen Einstülpverhalten des Diaphragmas und zu einem gleichförmigen Ausstoßen des darin enthaltenen Treibstoffs.

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Leerseite

Claims

1. Flüssigkeitstank mit einer Ausstoßeinrichtung, wobei der Raum zwischen der Innenfläche des Tanks und einer Außenfläche einer einstülpbaren Membran innerhalb des Tanks mit einem Druckmittel beaufschlagbar ist, um die in der Membran enthaltene Flüssigkeit auszustoßen, gekennzeichnet durch

einen Tank in Form eines abgeplatteten Sphäroids mit einer Polachse und zwei Polen und einem senkrecht zur Polachse verlaufenden Äquator in der Mitte zwischen den beiden Polen, wobei der Radius des Äquators größer ist als der Abstand zwischen dem Äquator und einem Pol und wobei der Tank vom Pol zum Äquator hin einen abnehmenden Krümmungsradius aufweist;

eine einstülpbare, im wesentlichen der Gestalt des Tanks angepaßte Membran;

eine Einlaßöffnung des Tanks in der Nähe des ersten Pols;

eine Auslaßöffnung des Tanks in der Nähe des zweiten Pols; und

eine in der Membran enthaltene Flüssigkeit, wobei die Flüssigkeit aus der Membran ausgestoßen wird, wenn diese durch ein Druckmedium beaufschlagt wird, welches in den Raum zwischen der Innenwandung des Tanks und der Außenwandung der Membran eingeführt wird, wobei die vorbestimmte Krümmung der Membran den Einstülpvorgang der Membran,beginnend am ersten Pol des Tanks, entlang der Polachse zum entgegengesetzten Pol hin in sich ständig erweiternden, konzentrischen Einstülpkreisen, welche im wesentlichen parallel zur Äquatorebene verlaufen, bestimmt, so daß der Einstülpvorgang als Einrollvorgang abläuft und ein wahlloses Buckeln vermieden wird, wobei die Einstülpung der Membran stets im Bereich des ersten Pols beginnt und die Membran beim Ausstoßen der Flüssigkeit durch die Auslaßöffnung im wesentlichen umgestülpt wird.

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2. Tank nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine erste und eine zweite Tankhälfte, welche am Äquator miteinander verbunden sind, wobei die erste Tankhälfte dem ersten Pol und die zweite Tankhälfte dem zweiten Pol zugeordnet ist.

3. Tank nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Befestigungsring, welcher den Tank umgibt und an diesem befestigt ist und im wesentlichen um den Äquator des Tanks verläuft, wobei dieser Ring Einrichtungen zur Aufhängung des Tanks an externen Aufhängungen umfaßt und eine genügende Steifigkeit aufweist, so daß die Belastungen durch die Aufhängung vom Tank isoliert werden.

4. Tank nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring mindestens einen Spalt aufweist, welcher das Anlegen des Rings an' den Tank erleichtert.

5. Tank nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in den Spalt ein Abstandselement eingesetzt ist, welches ein enges Anliegen des Rings am Tank gewährleistet.

6. Tank nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring durch einen daran befestigten Kappenring verstärkt ist.

7. Tank nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Diaphragma in der ersten Tankhälfte angeordnet ist, wobei eine Kante des Diaphragmas an der Innenwandung des Tanks im wesentlichen in der Nähe des Äquators befestigt ist.

8. Tank nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kante des Diaphragmas metallurgisch mit dem Tank verbunden ist.

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- 26 --V-

9. Tank nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kante des Diaphragmas mit der zweiten Tankhälfte verbunden ist.

10. Tank nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kante des Diaphragmas durch Bolzen zwischen der ersten und zweiten Tankhälfte befestigt ist.

11. Tank nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran die Gestalt eines abgeplatteten Sphäroids hat und am Tank an einem die Auslaßöffnung umgebenden Bereich auf der Seite des zweiten Pols befestigt ist.

12. Tank nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran aus Metall besteht.

13. Tank nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall aus Aluminium besteht.

14. Tank nach einem der Ansprüche 1 bis 13» dadurch gekennzeichnet , daß die Wandung der Membran unterschiedliche Dicke aufweist und in der Nähe des ersten Pols relativ dünn ist und in der Nähe des Äquators relativ dick ist, wobei die Änderung der Wanddicke der Membran der Beeinflussung des Vorgangs des Einstülpens der Membran dient.

15. Tank nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Membran sich zum Pol hin allmählich verjüngt.

16. Tank nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Membrandicke abgestuft ist.

17. Tank nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran aus Metall besteht und daß die unterschiedliche Dicke durch chemische Metallbearbeitung herbeigeführt wurde.

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18. Tank nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran eine Mhe von ringförmigen Sicken aufweist, welche parallel zum Äquator verlaufen und eine zusätzliche Beeinflussung des Vorgangs der Einstülpung der Membran gestatten.

19. Tank nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß er eine polare Umwicklung mit einem Faserverbund hoher Festigkeit aufweist.

20. Tank nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Äquatorradius zum Abstand zwischen dem Äquator und einem Pol im Bereich von 1,2 bis 1,9 liegt.

21. Tank'nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis etwa 1,4 beträgt.

22. Tank nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß er die Gestalt eines abgeplatteten Ellipsoids hat.

23. Tank nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Tank eine modifizierte geodätische Konfiguration aufweist.

24. Tank nach einem der Ansprüche 1 bis 23, gekennzeichnet durch einen Diffusor zwischen dem Tank und der Membran im Bereich des ersten Pols, wobei der Diffusor einen Wandbereich aufweist, der eine Kammer zwischen der Außenwandung des Tanks und dem Wandbereich bildet, wobei diese Kammer mit der Einlaßöffnung des Tanks in Verbindung steht und wobei der Wandbereich eine Vielzahl von Öffnungen aufweist, welche der gleichförmigen Verteilung des Druckmediums über die einstülpbare Membran dienen.

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25. Tank nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandbereich flach ist.

26. Tank nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Gestalt der Membran dem flachen Wandbereich angepaßt ist.

27. Tank nach einem der Ansprüche 1 bis 26, gekennzeichnet durch eine Flüssigkeitsauslaßeinrichtung mit einer Kammer, welche mit der Auslaßöffnung in Verbindung steht und im Bereich des zweiten Pols des Tanks ausgebildet ist und als Flüssigkeitssammelkanimer wirkt, welche über eine Reihe von mit Abstand zueinander angeordneten Öffnungen mit dem Innenraum der Membran in Verbindung steht und wobei diese Öffnungen andererseits mit speichenartigen Kanälen in Verbindung stehen, welche durch die Auslaßeinrichtung gebildet werden, so daß die Flüssigkeit durch die Öffnungen und die Kanäle zum zweiten Auslaß in der Nähe des zweiten Pols strömt und somit ein Einschluß von Flüssigkeit in Form von Taschen zwischen Auskleidung und Tank verhindert wird.

28* Tank nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßeinrichtung als Scheibe ausgebildet ist, wobei sich die Außenperipheriekante der Scheibe von der Auslaßöffnung des Tanks radial nach außen erstreckt.

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