DE2931310C2 - Raketentriebwerk - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein Raketentriebwerk mit einer festen Düse vom Konvergenz-Divergenz-Typ.
• Systemstudien an Lenkwaffen haben gezeigt, daß man die Nutzlast oder die Reichweite von Lenkwaffen vergrößern kann, wenn man verstaubare Düsen in hohem Querschnittsverhältnis in den oberen Vortriebsstufen verwendet. Eine verstaubare Düse ist eine solche, die sich in einer Umhüllung beschränkten Raumangebots unterbringen läßt, wobei die Raumbegrenzungen vom Lenkwaffensystem angegeben wird, in welchem die Düse verwendet wird.
• Es sind schon verschiedene Versuche unternommen worden, um eine verstaubare Düse mit hohem Querschnittsverhältnis zu entwickeln. Keine dieser Entwicklungen hat wegen der Schwierigkeiten bei der Herstellung, den hohen Produktionskosten und den mit der Düsengestaltung und dem Betrieb einhergehenden technischen Schwierigkeiten zu befriedigenden Ergebnissen geführt.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Raketentriebwerk mit einer verstaubaren Düse anzugeben, die in fertigungs- und betriebstechnischer Hinsicht befriedigt.
• Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
• Das erfindungsgemäße Triebwerksystem weist eine feste Düse und eine Serie von Konusringen steigender Größen auf, wobei alle Konusringe denselben Öffnungswinkel wie die feste Düse aufweisen. Die Konusringe lassen sich aus einer verstauten Lage, in welcher die Konusringe konzentrisch ineinander und auf der festen Düse angeordnet sind, in eine ausgefahrene Stellung bringen, in welcher jeder Konusring Teil einer durchgehenden Verlängerung der festen Düse ist. Im Betrieb wird jeder Konusring nach hinten geschoben, bis er sich in einer voll ausgefahrenen Stellung befindet, in welcher er die Innenfläche der Düse verlängert und damit den Düsenquerschnitt vergrößert. Die voll ausgefahrene Düse weist eine wesentlich vergrößerte Düsenfläche auf, die durch die Durchmesserbeschränkung begrenzt ist, die die Stufentrennungstoleranzen mit sich bringen.
• Besondere Aufmerksamkeit ist der Einrichtung zu schenken, mit welcher die Konusringe aus der verstauten Lage in die ausgefahrene Lage gebracht werden. Jeder Konusring weist wenigstens zwei, vorzugsweise aber vier Prallplatten auf, die mit dem Konusring verbunden sind. Jeder Prallplattensatz erstreckt sich in den theoretischen Strahlkanal von fester Düse oder Konusring, je nachdem, welches Teil des Düsensystems ihm unmittelbar gegenüber der festen Düse vorausgeht. Die aus dem Triebwerk strömenden Brenngase prallen auf die Prallplatten und drücken jeden nachfolgenden Konusring in eine ausgefahrene Stellung, bis schließlich alle Konusringe voll ausgefahren sind.
• Die Erfindung soll nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen
• Fig. 1 eine schematische Darstellung, teilweise weggeschnitten, eines Düsensystems nach der vorliegenden Erfindung mit verstauten Konusringen;
• Fig. 2 eine schematische Darstellung, teilweise weggeschnitten, des Düsensystems nach Fig. 1 mit ausgefahrenen Konusringen;
• Fig. 3 einen Schnitt durch das ausfahrbare Düsensystem nach der Erfindung in verstautem Zustand der Konusringe;
• Fig. 4 eine Seitenansicht im Schnitt einer Tragschiene, gesehen in Richtung der Linie 4-4 von Fig. 4B;
• Fig. 4A und 4b Vorder- und Rückansichten der Tragschiene nach Fig. 4;
• Fig. 5 eine Seitenansicht im Schnitt eines Konusringes;
• Fig. 6 eine Seitenansicht eines Prallelements;
• Fig. 6A einen Schnitt längs der Linie 6A-6A von Fig. 6;
• Fig. 7 eine schematische Darstellung einer Tragschiene an einem Konusring;
• Fig. 7A eine Draufsicht auf die Tragschiene;
• Fig. 8 eine Vorderansicht einer Verriegelungsstange;
• Fig. 8A eine Bodenansicht der Verriegelungsstange;
• Fig. 8B einen Teilschnitt durch die feste Düse und einen Konusring in ausgefahrenem und verriegeltem Zustand;
• Fig. 8C einen Teilschnitt durch die Konusringe in verriegeltem Zustand der Ringe;
• Fig. 9 eine Ansicht des Konusringsystems von vorne längs der Linie 9-9 von Fig. 3;
• Fig. 10 eine Ansicht des Konusringsystems von hinten in verstautem Zustand der Konusringe;
• Fig. 11 eine Teilansicht von der Seite des Auslösemechanismus in geschlossenem Zustand, und
• Fig. 12 eine Schnittdarstellung durch das Konusringsystem in voll ausgefahrenem Zustand der Konusringe.
• Das ausfahrbare Düsensystem nach der vorliegenden Erfindung besteht aus einer festen Düse 10 mit einer Außenfläche 12, an der feste Tragschienen 14 angebracht sind. Diese Tragschienen 14 tragen und führen den ersten ausfahrbaren Konusring 16, der sich mit radialem Zwischenraum konzentrisch um die feste Düse 10 herum erstreckt. Dieser ausfahrbare Konusring 16 weist einen konischen Abschnitt 18 und einen zylindrischen Abschnitt 20 auf. Der konische Abschnitt 18 ist ein kegelstumpfförmiger Konus, dessen kleiner Durchmesser geringfügig größer ist als der größte Durchmesser des Konus der festen Düse 10. Der Öffnungswinkel des konischen Abschnitts 18 ist genauso groß wie der Öffnungswinkel des Konus der festen Düse 10. Der zylindrische Abschnitt 20 weist einen Durchmesser auf, der wenigstens so groß ist wie der kleine Durchmesser des konischen Abschnitts 18. Auf der Außenfläche des Konusringes 16 sind Tragschienen 22 angebracht.
• Um den ersten ausfahrbaren Konusring 16 herum mit radialem Abstand erstreckt sich konzentrisch ein zweiter ausfahrbarer Konusring 24 . Dieser zweite ausfahrbare Konusring 24 ist am ersten ausfahrbaren Konusring 16 mittels Gleitköpfen 44 angebracht, die in Rillen in den Tragschienen 22 eingreifen (s. Fig. 9). Die Tragschienen 14 und 22 halten zusammen mit den Gleitköpfen 44, einer Auslöseklinke 90 (Fig. 11) und einem Anschlagstift 69 die ausfahrbaren Konusringe in einer verstauten Lage fest, bevor das Raketentriebwerk gezündet wird.
• Die Klinkenanordnung nach Fig. 11, die elektrisch betätigbar ist, hält die ausfahrbaren Konusringe in ihrer verstauten Position, bis ein das Ausfahren freigebendes Signal gegeben wird. Der Stift 69 ist mit Preßpassung durch den äußeren Konusring 24 in die Halteschiene 22 gedrückt, wie Fig. 3 und 9 zeigen. Der Stift 69 ist dazu bestimmt, abgeschert zu werden, wenn der erste Konusring 16 auf eine Sitzfläche 100 am hinteren Rand des festen Triebwerks 10 aufläuft und dort ruckartig abgebremst wird.
• Zwischen der festen Düse 10 und dem ersten Düsenkonusring 16 sind aerodynamische Stauplattenträger 26 angeordnet. Zwischen dem ersten Konusring 16 und dem zweiten Konusring 24 ist ein zweiter Satz aerodynamischer Stauplattenträger 28 angeordnet. Die Stauplattenträger 26 und 28 weisen jeweils Stauplatten 30 bzw. 32 am einen Ende und eine Verbindungsangel 48 bzw. 49 (s. Fig. 3 und 6) am anderen Ende auf. Die Prallflächen an den Stauplattenträgern sind so angeordnet, daß jede Prallfläche sich im möglichen Brenngasströmungsweg befindet, der ausgebildet wird, wenn der zugehörige Konusring und die feste Düse sich gegenseitig in entfaltetem Zustand befinden. Die Stauplatten 30 ragen daher in den Strömungsweg der festen Düse 10 und die Stauplatten 32 ragen in den möglichen Strömungsweg der festen Düse 10, wenn der Konusring 16 in der ausgefahrenen Stellung ist, wie es Fig. 2 darstellt.
• Fig. 2 zeigt das ausfahrbare Düsensystem im voll ausgefahrener Stellung 34, in der die Konusringe 16 und 24 dargestellt sind, nachdem diese sich in ihre voll ausgefahrene Stellung bewegt haben, was vom Betrieb des Raketentriebwerks herrührt, dessen Brenngase auf die Stauplatten im Strömungsweg eine Kraft ausübt, die die Konusringe nach hinten schiebt. Die Innenfläche 36 des voll ausgefahrenen Düsensystems ist im wesentlichen geschlossen.
• Fig. 3 zeigt das hintere Ende eines Raketentriebwerks mit einem Düsensystem nach der vorliegenden Erfindung. Die feste Düse 10 ist mit Tragschienen 14 versehen (s. Fig. 4, 4A und 4B), die an der Außenwand 38 der festen Düse 10 angebracht sind. Jede Tragschiene 14 weist nahezu auf ihrer ganzen Länge eine Rille 40 auf. Der Konusring 16 ist in der verstauten, eingezogenen Lage auf der festen Düse 10 angeordnet.
• Der Konusring 16 weist eine Serie von Gewindebohrungen 42 auf, die um seinen zylindrischen Abschnitt 20 (s. Fig. 5) verteilt sind. Direkt vor den Gewindebohrungen 42 weist die Innenwand des zylindrischen Abschnitts 20 eine Abschrägung auf, in die eine Dichtung 43 eingepaßt ist, die sich um den gesamten Innenumfang des Konusringes erstreckt. Diese Dichtung besteht aus hochtemperaturfestem Material, wie beispielsweise einer Graphitfolie. In die Gewindebohrung 42 ist ein Gewindestift 44 eingeschraubt, der einen Gleitkopf 46 aufweist, der in den Schlitz 40 der Tragschiene 14 eingreift. Obgleich in Fig. 3 nur eine einzige Tragschiene 14 dargestellt ist, sei doch betont, daß wenigstens zwei solcher Tragschienen benötigt werden, die in gegenseitig äquidistanten Abständen um den Umfang der Düse 10 herum verteilt angeordnet sind, damit für den Konusring 16 eine ausreichende Abstützung und Führung gegeben ist.
• Der Stauplattenträger 26 ist in eingefahrener Lage des Konusrings 16 dargestellt. Der Stauplattenträger 26 weist eine Angel 48 auf, die in einen Schlitz 50 im zylindrischen Abschnitt 20 des ersten Konusrings 16 eingesetzt ist. Der Stauplattenträger 26 hat seitliche Wangen 52 (s. Fig. 6 und 6A), die außen an der Führungsschiene 14 anliegen. Die Stauplatte 30 des Stauplattenträger 26 erstreckt sich in den theoretischen Strömungsweg der aus der festen Düse 10 austretenden Brenngase. Die Stauplatte 30 ist an den Seitenwangen 52 des Stauplattenträgers 26 befestigt. Der Stauplattenträger 26 ist an der Hinterkante 56 des Konusringes 16 mittels eines Hakens 58 in einem Schlitz 60 des Konusringes 16 befestigt (s. Fig. 5 und 6).
• An der Außenwand des Konusringes 16 sind zweite Tragschienen 22 angeordnet (s. Fig. 7). Die zweiten Tragschienen 22 bestehen jeweils aus einer Abstützung 62 und einer Führungsschiene 66. Die Abstützung 62 ist auf die stromaufwärts gelegene Stirnseite 64 des ersten Konusringes 16 aufgeschraubt. Die Führungsschiene 66 ist ähnlich der Tragschiene 14 ausgebildet und weist einen längslaufenden Schlitz 68 auf annähernd ihrer gesamten Länge auf. Der zweite Konusring 24 und die zugehörigen Stauplattenträger 26 sind längs der zweiten Tragschienen 22 auf die gleiche Weise beweglich wie der erste Konusring auf der ersten Tragschiene 14. Obgleich die Fig. 3 und 7 nur eine zweite Tragschiene 22 darstellen, sei doch betont, daß wenigstens zwei, vorzugsweise aber vier solcher Tragschienen in der Praxis in gleichmäßigen gegenseitigen Abständen um die Außenwand jedes Konusringes bzw. der Düse angeordnet sind, mit Ausnahme des äußersten Konusringes. An der Stirnseite des zylindrischen Abschnitts jedes beweglichen Konusringes ist eine Dichtung aus geeignetem hochtemperaturfestem Material angebracht.
• Im Betrieb des Düsensystems nach der Erfindung wird jeder Konusring, beginnend mit dem der Düse am nächsten liegenden ersten Konusring unter der Wirkung der Brenngase, die auf die Stauplatten drücken, nach hinten gedrückt. Dies bewirkt eine Bewegung der gesamten teleskopartig ineinander geschobenen Konusringanordnung auf den Tragschienen der festen Düse nach hinten. Dies wiederholt sich für alle noch nicht ausgefahrenen weiteren Konusringe nachfolgend. Jeder Konusring wird in seiner voll ausgefahrenen Stellung durch Verriegelungsstangen gesichert, die in Schlitzen innerhalb der zylindrischen Abschnitte jedes Konusringes angeordnet sind. Diese Verriegelungsstangen wirken mit einem Mechanismus an der vorderen Außenwand des benachbarten inneren Konusringes bzw. des festen Triebwerks, auf dem der betreffende Konusring angeordnet ist, zusammen. Die Stauplattenträger werden von jedem ausfahrbaren Konusring abgeworfen, wenn dieser sich in seine hintere Endlage begeben hat. In der hintersten Endlage gleitet die Stauplattenträgerangel aus dem Eingriff mit dem Schlitz im zylindrischen Abschnitt des Düsenkonus bzw. der Düse heraus und wird von den Brenngasen aus der Düse herausgeworfen.
• Die Verriegelungsstangen 70 und 72 in Schlitzen 74 und 76 der Konussegmente 16 und 24 sind in den Fig. 3, 5, 8, 8A und 8B dargestellt. An der Außenwand der festen Düse 10 und jedes Konusringes mit Ausnahme des äußersten Konusringes und axial ausgerichtet auf die Mitte jeder Verriegelungsstange jedes Konusringes ist ein Teilmechanismus angeordnet, bestehend aus einer Lippe 78 und einem Schlitz 80. Wenn die Konusringanordnung auf der Tragschiene 14 nach hinten bewegt wird, dann drückt diese Bewegung die Verriegelungsstange 70 über die Lippe 78 gegen die Dichtung 43 und sie schnappt in den Schlitz 80 ein, womit sie den Konusring 16 in der ausgefahrenen Stellung sichert. Ein solches Verriegelungssystem wird anschließend auch dazu verwendet, um automatisch die nachfolgenden Konusringe in der ausgefahrenen Stellung zu sichern. Nach dem Ausfahren des Konusringes 16 wird daher der zweite Konusring 24 auf der Tragschiene 22 infolge des auf die Stauplatten 32 wirkenden Gasdrucks nach hinten bewegt. Die Stauplattenträger 28 werden dann als Folge einer auf die Stauplatten 32 wirkenden Tangentialkraft, die den Stauplattenträger 28 aus dem nach hinten schräg zulaufenden Schlitz 50 herauszieht, abgeworfen. Die Verriegelungsstange 72 wird über die Lippe 82 gegen die Dichtung 107 gedrückt und schnappt in den Schlitz 84 ein, womit der zweite Konusring 24 an dem ersten Konusring 16 in seiner voll ausgefahrenen Stellung gesichert ist.
• Die Verriegelungsstangen 70 und 72 sind so dimensioniert, daß sie den Betriebsbedingungen des ausfahrbaren Düsensystems nach der Erfindung genügen. Sie bestehen insbesondere aus kohlenstoffhaltigen Materialien, die hervorragende Hochtemperatureigenschaften aufweisen. Die Verriegelungsstangen sind an den Konusringen 16 und 24 mit Hilfe von zwei Stiften 102 ( Fig. 8B) pro Stange befestigt. Die Länge jeder Verriegelungsstange hängt von der Eingriffstiefe 103 und der Abstützfläche ab, die benötigt wird, um den Rückstoßkräften standzuhalten, die auf den verriegelten Konusring wirken. Die Verriegelungsstangen weisen jeweils eine schräge Auskehlung 104 auf, um die Verriegelungsstange mittels eines Keileffektes allmählich hinunterzudrücken, wenn der betreffende Konusring, beispielsweise hier der Konusring 24, über die Frontfläche 82 des inneren Konusringes, hier des Konusringes 16, geschoben wird. Die Verriegelung erfolgt, wenn die Verriegelungsstange 70 in ihre unverbogene Stellung in der Verriegelungsrille 84 zurückspringt. In dieser Stellung ist der Konusring gegen eine weitere Bewegung nach hinten durch die Dichtung 107 und gegen eine Rückkehr nach vorne durch die Verriegelungsstange in ihrer Nut gesichert.
• Die Stangenbreite 108 wird in der Hauptsache durch die Festigkeit bestimmt, die zur Aufnahme der Rückstoßkräfte erforderlich ist, die auf den Konusring wirken, sowie durch die Torsionssteifigkeit der Verriegelung. Die unterschiedliche Höhe 109 der Verriegelungsstange ist gewählt, um Biegebelastungen innerhalb der Stange zu minimisieren, gleichzeitig eine maximale Torsionssteifigkeit und Eingriffstiefe in der Nut zu gewährleisten.
• Fig. 9 zeigt das vordere Ende des Düsensystems nach der Erfindung, wie man es längs der Linie 9-9 von Fig. 3 sieht. Der freie Düsenquerschnitt 11, der Düseneinsatz 13 und die Seitenwand 15 des Raketentriebwerks sind hier nur der besseren Übersichtlichkeit halber mitdargestellt. Der erste Satz Führungsstifte 44 ist in Gewindebohrungen 42 im Konusring 16 eingeschraubt und greift in Schlitze der Tragschienen 14 ein, um die Lage des Konusringes vor, während und nach dem Ausfahren festzulegen. Die Tragplatte 62 der zweiten Tragschiene 22 ist ebenfalls dargestellt. Ein zweiter Führungsstift 67 ist hinter dem weggebrochenen Teil der Zeichnung zu erkennen ebenso wie der Scherstift 69. Der Scherstift 69 ist unter leichtem Preßsitz in ein Loch eingebracht, das durch den zweiten Konusring 24 in die Tragschiene 22 verläuft. Der Scherstift 69 ist so dimensioniert, daß er abgeschert wird, wenn der Konusring 16 auf den Sitz 100 an der festen Düse 10 aufläuft.
• In Fig. 10 ist die Düsenringanordnung in ihrer eingefahrenen Stellung von hinten her gezeigt. Auf der festen Düse 10 mit dem erkennbaren Düsendurchlaß 11 sind zwei Konusringe 16 und 24 konzentrisch ineinander angebracht. Vier Stauplattenträger 26 pro Konusring sind in gleichmäßigen gegenseitigen Abständen um die Außenfläche der festen Düse 10 am ersten Konusring 16 angeordnet. Ebenfalls in gleichmäßigen gegenseitigen Abständen sind um die Außenwand des Konusringes 16 vier Stauplattenträger 28 am zweiten Konusring 24 angebracht.
• Fig. 11 zeigt einen Auslösemechanismus, der es gestattet, die in eingefahrenem Zustand gesicherten Konusringe auf Kommando freizugeben. Dieser Auslösemechanismus besteht aus einem Elektromagneten 86 an einem Träger 88 an der Außenwand 12 der festen Düse 10. Am Zuganker 92 des Elektromagneten 86 ist eine Klinke 90 befestigt, die an dem Träger 88 angelenkt ist. Am freien Ende der Klinke 90 ist eine Zugfeder 94 befestigt, deren anderes Ende am Rahmen 88 angebracht ist und die Falle 95 der Klinke 90 in Eingriff mit einem Schlitz 96 im zylindrischen Abschnitt 20 des ersten Konusringes 16 bringt. Auf Befehl wird der Zuganker 92 vom Elektromagneten 86 angehoben, wodurch die Falle 95 aus dem Schlitz 96 herausgezogen wird, woraufhin die Konusringanordnung nach dem Zünden des Raketentriebwerks nach hinten in die ausgefahrene Stellung gebracht werden kann.
• Fig. 12 zeigt im Längsschnitt die Konusringanordnung am Triebwerk in voll ausgefahrener Stellung. Die Konusringe sind in ihren Stellungen durch die Verriegelungsstangen 70 und 72 gesichert, die in die Schlitze 80 und 84 eingreifen.
• Die Konusringe können aus jedem Material hergestellt werden, das den Festigkeitsbeanspruchungen und den herrschenden Temperaturen des Raketentriebwerks widersteht. Insbesondere können sie aus Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundmaterialien hergestellt sein.

Claims (4)

1. Raketentriebwerk mit einer festen Düse vom Konvergenz- Divergenz-Typ, gekennzeichnet durch ein ausfahrbares Düsenkonusringsystem, bestehend aus

a) einem auf der Außenseite der festen Düse (10) konzentrisch und axial gleitbar geführten Konusring (16), der einen zylindrischen Abschnitt (20) mit zwei an seiner Innenseite in zueinander äquidistanten Schlitzen (50) und einen konischen Abschnitt (18) von gleichem Öffnungswinkel wie die feste Düse (10) aufweist,

b) wenigstens zwei Tragschienen (14), die an der Außenseite der festen Düse (10) in zueinander äquidistanten Abständen parallel zur Triebwerksachse verlaufend angebracht sind,

c) einer der Zahl der Tragschienen (14) entsprechenden Anzahl von Stauplattenträgern (26) mit je einer in verstauter Lage des Konusringes (16) in den Brenngasströmungsweg ragenden Stauplatte (30), die am Konusring (16) angebracht sind und jeweils mit einer mit einer Tragschiene (14) zusammenwirkenden Einrichtung (52) versehen sind,

d) einer zwecks Freigabe auslösbare, den Konusring (16) in verstauter Lage sichernde Verriegelungseinrichtung (90), und

e) einer Einrichtung (70) zum Sichern des Konusringes (16) in der voll ausgefahrenen Lage.

2. Raketentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Außenseite des inneren ersten Konusringes (16) ein konzentrisch und axial gleitbar geführter zweiter Konusring (24) angeordnet ist, der aus einem zylindrischen, im Inneren mit Schlitzen versehenen Abschnitt und einem konischen Abschnitt von gleichem Öffnungswinkel wie der erste Konusring (16) besteht, auf der Außenseite des ersten Konusringes (16) wenigstens zwei in zueinander äquidistanten Abständen achsparallel verlaufende zweite Tragschienen (22) angebracht sind, der zweite Konusring (24) eine der Anzahl der Tragschienen (22) am ersten Konusring (16) entsprechende Zahl von mit jenen Tragschienen (22) gleitend zusammenwirkende Stauplattenträger (28) mit je einer Stauplatte (32) aufweist, die sich in gegenüber dem ersten Konusring (16) nicht ausgefahrener Stellung des zweiten Konusringes (24) in den Brenngasströmungsweg im ausgefahrenen ersten Konusring (16) erstrecken, der zweite Konusring (24) gegenüber dem ersten Konusring (16) in verstauter Lage durch eine lösbare Befestigungseinrichtung (69) verriegelt ist, und daß eine Einrichtung ( 72) zum Sichern des zweiten Konusringes (24) in seiner voll ausgefahrenen Stellung vorhanden ist.

3. Raketentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der festen Düse (10) vier Tragschienen (14) angeordnet sind.

4. Raketentriebwerk nach den Ansprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem ersten Konusring (16) vier Tragschienen (22) angeordnet sind.