DE3018948C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen auffaltbaren Diffusor für Raketen­ schubdüsen, der eine aus Elementen in Form einzelner Klappen und Lamellen zusammengesetzte Baueinheit aufweist, wobei die Lamellen aneinander und an einem, dem Düsenhals benachbart und stromauf gelegenen feststehenden Teil einer Düse angelenkt sind, wenigstens zwei aneinander anschließende Kränze oder Kegelstümpfe bilden und in eine Rückfaltstellung sowie in eine Auffaltstellung gebracht werden können, wobei jede Lamelle eine Innenfläche zur Bildung eines Teils der Diffusorinnenwand und eine Außenfläche zur Bildung eines Teils der Diffusoraußen­ wand aufweist.

In der Technik der Pulvertriebwerke (Feststofftriebwerke) ist die Verwendung eines auffaltbaren Diffusors bekannt, der vor dem Start zusammengefaltet gehalten wird, um dazu beizutragen, die Abmessungen des Raketenmotors möglichst klein zu halten, der aber nach dem Zünden des Triebwerks aufgefaltet wird, da das Triebwerk in freier Fahrt bzw. freiem Flug keiner Längen­ beschränkung mehr unterworfen ist, so daß der Diffusor zur Erhöhung der Gasentspannung in der Düse und somit zur Ver­ besserung des Schubwirkungsgrades beiträgt. Ein solcher auf­ faltbarer Diffusor ist bspw. in der FR-OS 22 17 558 beschrie­ ben. Dieser Diffusor besteht im wesentlichen aus einer Viel­ zahl von Klappen, welche über Gelenkblöcke an dem Düsenhals angelenkt sind und in ihrer Rückfaltstellung mit ihren Außen­ flächen auf der Außenfläche des Düsenhalses aufliegen, während sie in ihrer Auffaltstellung mit Hilfe von Betätigungsmitteln entgegen der Druckkraft des ausströmenden Gases gehalten werden. Als nachteilig erweist sich bei dieser bekannten Bau­ weise, daß einerseits die Gelenkverbindungen zwischen dem Düsenhals und den Klappen durch das ausströmende Gas, insbe­ sondere durch die darin enthaltenen Feststoffteilchen, beson­ ders beansprucht werden, andererseits die Klappen entgegen der Druckkraft des ausströmenden Gases in ihre Auffaltstellung gebracht und dort gehalten werden müssen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen auffaltbaren Diffusor der eingangs genannten Art zu schaffen, der den er­ heblichen Belastungen durch das ausströmende heiße Gas in der Düse besser standhält und in der Auffaltstellung ohne äußere Hilfsmittel stehenbleibt.

Diese Aufgabe wird mit einem auffaltbaren Diffusor der ein­ gangs genannten Art im wesentlichen dadurch erreicht, daß die Innenflächen zweier benachbarter Lamellen, die aufeinander zurückgefaltet werden sollen, einander zugewandt sind und ein gemeinsames, zweiachsiges Scharnier aufweisen, dessen Schar­ nierachsen in die Wände der beiden benachbarten Lamellen ein­ gefügt und durch eine Lasche in konstantem Abstand zueinander gehalten sind, daß die Lasche in Ausnehmungen in den Lamellen versenkt angeordnet ist, und daß zwei aneinanderstoßende Lamellen im Bereich eines Scharniers je eine Zylinderfläche aufweisen, die zu den Scharnierachsen koaxial zentriert sind und sich gleitfrei aufeinander abwälzen. Auf diese Weise übt der Gasdruck der ausströmenden Gase bei aufgefaltetem Diffusor eine die Lamellen in Öffnungsstellung haltende Wirkung aus, so daß ein zuverlässiger, den Belastungen der aus der Düsen ausströmenden heißen Gase widerstehender Diffusor geschaffen ist, dessen Gelenke vor Angriffen durch das ausströmende Gas und insbesondere die darin enthaltenen Feststoffe wirksam ge­ schützt sind.

Bei einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die beiden zylindrischen Abwälzflächen je mit einer Ver­ zahnung versehen, um auch bei hohen Belastungen sicherzustel­ len, daß sie aufeinander abwälzen, ohne zu gleiten.

Um dies zu gewährleisten, sollten die Verzahnungen der beiden zylindrischen Abwälzflächen beim Auf- bzw. Zurückklappen der Lamellen miteinander kämmen.

Die auf den Zylinderoberflächen eines Gelenks angeordneten Verzahnungen bestehen bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung aus einem Werkstoff der gleichen Art, wie der der Lamellen, um die thermischen Spannungen bei Erwärmung bzw. Abkühlung so gering wie möglich zu halten.

Bei einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die auf den zylindrischen Oberflächen eines Gelenks ge­ bildeten Verzahnungen auf die Lamellen aufgesetzt, so daß sie aus einem anderen, ggf. beständigeren Werkstoff als die Lamel­ len bestehen und ggf. ausgetauscht werden können.

Die Zähne oder Verzahnungen können bspw. aus Aluminium geformt sein.

Nachfolgend wird anhand der Zeichnung eine Ausführungsform beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 und 2 Seitenansichten eines auffaltbaren Diffusors in auf­ gefalteter bzw. in rückgefalteter Stellung,

Fig. 3 eine vereinfachte Darstellung eines Axialschnittes eines nach der Erfindung faltbaren Diffusors,

Fig. 4 einen Schnitt durch ein Gelenk in Auffaltstellung längs der Linie IV-IV der Fig. 6,

Fig. 5 einen Schnitt durch das Gelenk der Fig. 4 in Rück­ faltstellung, und

Fig. 6 eine Ansicht eines Gelenks zwischen zwei Lamellen des Diffusors entsprechend dem Pfeil F der Fig. 3.

In den Fig. 1 und 2 ist ein auffaltbarer Düsendiffusor 10 für ein Raketentriebwerk dargestellt, insbesondere für einen Feststoff-Raketenmotor. Der Diffusor hat einen ersten stromauf gelegenen Abschnitt 1, der an den Hals der Düse angesetzt ist und einen feststehenden Teil bildet, dann einen zweiten ge­ gliederten Teil oder Abschnitt, der aus Klappen oder Lamellen 2 zusammengesetzt ist, die an dem ersten, stromauf gelegenen Teil 1 mittels Gelenken 6 angelenkt sind, ferner einen dritten gegliederten Teil, der aus Klappen oder Lamellen 3 zusammenge­ setzt ist, die einerseits durch Gelenke 7 an den Lamellen 2 und andererseits durch Gelenke 8 an einem Endkranz oder Kragen 4 des Diffusors angelenkt sind. Fig. 1 zeigt den Diffusor in der Startausgangsstellung, also der Anfangsstellung vor dem Abschuß. In dieser Stellung sind die Klappen oder Lamellen 2 und 3 aufeinanderzu gefaltet, so daß sie zwischen sich einen spitzen Winkel einschließen und einen Kranz oder Kragen mit geringer Länge in Axialrichtung der Düse bilden. Die Länge L₁ des Diffusors 10 ist daher insgesamt verringert. Ein Ausfahr­ ring 5 ist an die Außenfläche jeder der Lamellen 2 durch ein Gelenk angeschlossen. Der Ring wird durch nicht wiedergegebene Betätigungselemente wie etwa hydraulische oder pneumatische Zylinder gesteuert, um nach dem Abschuß derart auf die Lamel­ len 2 einzuwirken, daß sie eine Verlängerung des kegelstumpf­ förmigen festen Teils 1 bilden. Das Auffalten der Lamellen 2 zur Streckung der Düse bewirkt gleichzeitig das Einrücken der Lamellen 3 in ihre Sollstellung in der Verlängerung der Lamel­ len 2, und zwar derart, daß der Diffusor 10 in der Auffalt­ stellung, d.h. bei vollständiger Entfaltung der Lamellen 2 und 3 (Fig. 2), aus einem einzigen Kegelstumpf besteht, dessen Länge L₂ sehr viel größer als die Länge L₁ ist.

Die Lamellen 2 und 3 werden aus hitzebeständigem Werkstoff hergestellt, etwa aus Kohlenstoff-Kohlenstoff, insbesondere aus Graphit und/oder Kohlenstoff-Fasern, aus Phenolharzen in Kohlenstoff- oder Siliziumverbindungen, ggf. verstärkt durch eine äußere Stützstruktur, oder auch aus hitzebeständigem Metall.

Wie der Fig. 3 zu entnehmen ist, in der der Ring 5 der größe­ ren Deutlichkeit wegen nicht wiedergegeben ist, besteht die wesentliche Schwierigkeit, die sich bei der Verwirklichung auffaltbarer Diffusoren mit Gelenkplatten zeigt, in der Gestal­ tung der Gelenke zwischen den Platten oder Lamellen. Tatsäch­ lich wird jeder Gegenstand, der in den Strömungskanal der Gase im Inneren des Diffusors hervorsteht, insbesondere bei Verwen­ dung eines aluminisierten Raketentreibstoffes, sehr schnell von den Aluminiumpartikeln des Stromes abgetragen.

Die Gelenke 6 und 8, die die rückfaltbaren Platten mit dem stromauf gelegenen unverformbaren Teil 1 bzw. dem stromab ge­ legenen unverformbaren Teil 4 verbinden, lassen sich durch Scharniere verwirklichen, die vollständig außerhalb der Plat­ ten 2 und 3 angeordnet sind. Auf diese Weise sind die Gelenke 6 und 8 nicht dem Angriff der Verbrennungsgase ausgesetzt. Im Gegensatz dazu müssen die Gelenke 7 eine besondere Gestalt haben, die ihnen erlaubt, der aggressiven Wirkung der Verbren­ nungsgase zu widerstehen.

Die Gelenke 7 sind gemäß der Erfindung durch ein Scharnier oder mehrere Scharniere mit zwei Achsen gebildet, und zwar in der Weise, die weiter unten anhand der Fig. 4 und 6 beschrie­ ben werden wird.

Zwei Achsen 11 und 12 sind entsprechend in einer stromauf ge­ legenen Platte 2 und einer stromab gelegenen Platte 3 angeord­ net, die nahe ihren einander zugewandten Enden verbunden werden sollen. Die Achsen liegen parallel zur Ebene der Plat­ ten oder Lamellen 2, 3. Die beiden Achsen 11 und 12 eines Scharniers sind durch eine Lasche oder ein Kettenglied 13 in gleichbleibendem Abstand gehalten. Die Lasche 13 liegt in Aus­ nehmungen 16, die in die Lamellen 2, 3 eingearbeitet sind. Die äußeren, nicht mit Ausnehmung versehenen Enden der Platten oder Lamellen 2, 3 legen ausgehend von den Innenflächen 21, 31 der Platten oder Lamellen 2, 3 zylindrische Oberflächen 14, 15 fest, die zu den Achsen 11, 12 koaxial zentriert sind und sich, ohne zu gleiten, aufeinander abwälzen können. Dies ist bspw. dank einer auf den Zylinderoberflächenabschnitten 14 und 15 vorgesehenen Verzahnung 17 möglich.

Diese Anlenkungsart, in der zwei Abwälzflächen 14, 15 vorhan­ den sind, die sich ohne zu gleiten aufeinander abwälzen und einfach aus zwei Zylindervierteln gebildet sind, die auf zwei zueinander parallelen und durch eine Lasche auf Abstand gehal­ tenen Achsen zentriert sind, erlaubt einerseits ein Rückfalten der beiden benachbarten, gelenkig verbundenen Platten oder Lamellen 2 und 3 um 180° (Fig. 5 und die in Fig. 3 gestrichelt gezeichneten Elemente) und andererseits ein Auffalten oder Strecken der beiden Lamellen in Verlängerung der einen zur andern (Fig. 4 und 6).

In der aufgefalteten Stellung, die während des Startvorganges eingenommen wird, stehen nur kleine, von der Verzahnung 17 der Oberflächen 14, 15 gebildete Vorsprünge in dem Strahl der Verbrennungsgase im Inneren des Diffusors über die Innenflä­ chen 21, 31 der Lamellen 2 hervor. Die Lamellen 2, 3, die mit ihren Querflächen 18, 19 aneinander anstoßen, werden durch den im Diffusor 10 herrschenden Innendruck in Auffaltstellung gehalten. Daher können die Zähne 17 durch die Pulvergase abge­ schliffen werden, ohne daß daraus ein Nachteil für die Festig­ keit des Gelenks 7 entsteht. Die Lasche 13 selbst, die die Achsen 11 und 12 verbindet, liegt gegenüber den Innenflächen 21, 31 der Lamellen 2, 3 zurückversetzt und ist daher ge­ schützt.

Ein Scharniergelenk kann je nach der vorgesehenen Anwendung aus feuerfestem bzw. hitzebeständigem Werkstoff hergestellt werden, bspw. aus Kohlenstoff unterschiedlicher Kristalli­ sation (z.B. Kohlenstoff-Faser-Gewebe mit Graphitfüllung) oder aus hitzebeständigem Metall. Die Verzahnung 17 kann aus dem gleichen Werkstoff wie die Lamellen 2, 3 bestehen oder auf den Oberflächen 14, 15 befestigt sein, sei es durch Kleben oder Sintern; sie kann in diesem Falle auch aus einem schmelzbaren Metall wie bspw. Aluminium hergestellt werden.

Zusammenfassend kann die Erfindung auch so beschrieben werden: Ein auffaltbarer Diffusor einer Schubdüse eines Raketentrieb­ werks besteht aus einer Gesamtheit einzelner Lamellenelemente aus hitzebeständigem Werkstoff; die Elemente sind gelenkig miteinander verbunden und an einen stromauf in der Nachbar­ schaft des Düsenhalses gelegenen festen Teil des Diffusors angelenkt; die Gelenke zwischen zwei benachbarten Lamellen 2, 3, die dazu bestimmt sind, mit ihren Innenflächen 21, 31 so zusammengefaltet zu werden, daß diese Flächen einander zuge­ wandt sind, enthalten je wenigstens ein Scharnier 7, das zwei Achsen 11, 12 aufweist, die in die Wände oder Wandflächen der beiden aneinander angelenkten Elemente eingesetzt oder einge­ lassen und durch eine Lasche 13 , die in Bezug zur Lamellen­ stärke zurückgesetzt angeordnet ist, auf konstantem Abstand zueinander gehalten sind, wobei die beiden benachbarten Lamel­ len im Bereich eines Scharniers zwei zylindrische Flächen 14, 15 bilden, die zu jeder der Achsen 11, 12 entsprechend zen­ triert und außerdem in der Lage sind, sich ohne zu gleiten aufeinander abzuwälzen (Fig. 4).

Claims (6)

1. Auffaltbarer Diffusor für Raketenschubdüsen, der eine aus Elementen in Form einzelner Klappen und Lamellen zusammenge­ setzte Baueinheit aufweist, wobei die Lamellen aneinander und an einem, dem Düsenhals benachbart und stromauf gelegenen feststehenden Teil einer Düse angelenkt sind, wenigstens zwei aneinander anschließende Kränze und Kegelstümpfe bilden und in eine Rückfaltstellung sowie in eine Auffaltstellung gebracht werden können, wobei jede Lamelle eine Innenfläche zur Bildung eines Teils der Diffusorinnenwand und eine Außenfläche zur Bildung eines Teils der Diffusoraußenwand aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenflächen (21, 31) zweier benach­ barter Lamellen (2, 3), die aufeinander zurückgefaltet werden sollen, einander zugewandt sind und wenigstens ein gemein­ sames, zweiachsiges Scharnier aufweisen, dessen Scharnier­ achsen (11, 12) in die Wände der beiden benachbarten Lamellen (2, 3) eingefügt und durch eine Lasche (13) in konstantem Abstand zueinander gehalten sind, daß die Lasche (13) in Aus­ nehmungen (16) in den Lamellen (2, 3) versenkt angeordnet ist, und daß zwei aneinanderstoßende Lamellen (2, 3) im Bereich eines Scharniers je eine Zylinderfläche (14, 15) aufweisen, die zu den Scharnierachsen (12, 13) koaxial zentriert sind und sich gleitfrei aufeinander abwälzen.

2. Diffusor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden zylindrischen Abwälzflächen (14, 15) je mit einer Ver­ zahnung (17) versehen sind.

3. Diffusor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzahnungen (17) bei der Abwälzbewegung miteinander kämmen.

4. Diffusor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzahnungen (17) auf den Zylinderoberflächen (14, 15) eines Gelenks (7) aus einem Werkstoff sind, der von derselben Art wie der der die Verzahnungen (17) tragenden Lamellen (2, 3) ist.

5. Diffusor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die auf den zylindrischen Oberflächen (14, 15) eines Gelenks (7) gebildeten Verzahnungen (17) oder Zähne auf die die zylindrischen Oberflächen (14, 15) tragenden Lamellen (2, 3) aufgesetzt sind.

6. Diffusor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähne oder Verzahnungen (17) aus Aluminium geformt sind.