DE3119712A1 - Duesentriebwerk, insbesondere raketentriebwerk mit einer duese, die mit dem mantel der brennkammer mechanisch und waermeisoliert verbunden ist - Google Patents
Duesentriebwerk, insbesondere raketentriebwerk mit einer duese, die mit dem mantel der brennkammer mechanisch und waermeisoliert verbunden istInfo
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Description
Akte: 111/68 - VNR: 110086 - 4 -
SOCIETE EUROPEENNEDE PROPULSION S.A. 3, avenue du General de Gaulle
F-9280Ü PUTEAUX
F-9280Ü PUTEAUX
Düsentriebwerk, insbesondere Raketentriebwerk mit einer Düse, die mit dem Mantel
der Brennkammer mechanisch und wärmeisoliert verbunden ist. "
Die Erfindung betrifft ein Düsentriebwerk, insbesondere ein Raketentriebwerk für feste Treibstoffe, mit einem
durch Wickeln eines Faserwerkstoffs hergestellten Mantel
. als Wand einer Brennkammer einerseits und mit einer aufheizbaren, aus einem feuerfesten, wärmeleitenden
Werkstoff bestehenden Düse andererseits, die mit dem Mantel mechanisch und wärmeisoliert verbunden ist.
Wesentlicher Teil des Erfindungsgegenstandes ist dabei
die Verbindungsstelle zwischen der aus einem Faserwerkstoff gewickelten Mantel der Brennkammer und der aufheizbaren
("heißen") Düse, die aus einem feuerfesten wärmeleitenden .Werkstoff besteht und mit dem Mantel mechanisch und
wärmeisoliert verbunden werden muß.
Es ist derzeit üblich, die Brennkammer eines Raketentriebwerks für feste Treibstoffe aus einem Mantel
herzustellen, der durch Wickeln von beispielsweise Fäden aus Glas oder "Kevlar" gebildet wird, die in
Akte: 111/68 - VNR: 110086 -5-
ein Kunstharz eingebettet sind, welches im allgemeinen ein Epoxydharz ist. Der Mantel dient dazu, die Druckkräfte
aufzunehmen und ist auf der Innenseite gegen die Hitze durch eine Wärmedämmung aus einem elastomeren
Werkstoff geschützt. Die Verbindung der Düse mit diesem Mantel wird im allgemeinen unter Zwischenschaltung
eines metallischen Ansatzstückes bewirkt, welches mit einem metallischen Bund der Düse durch
Verschraubung, einen Sicherungsring oder 'gedes andere
geeignete Befestigungselement verbunden sein kann.
Das Gewicht der verschiedenen Teile, die mit dem Schmieden der Metallteile verbundenen Schwierigkeiten
und ihre hohen Herstellkosten haben zur Suche nach neuen Lösungen geführt, die insbesondere das Gewicht
der Verbindung Mantel-Düse verringern sollten, wobei diese Bestrebungen jedoch im allgemeinen ohne großen
Erfolg geblieben sind. Hierzu gehört insbesondere die Methode "Hercules" gemäß der FR-PS 2 251 756,
bei der in den Mantel Faserverstärkungen eingearbeitet sind, um die Düse unmittelbar mit dem Mantel verbinden
zu können.
Jedoch besteht die gegenwärtige Tendenz darin, die vollständig aufheizbaren Düsen aus einem hitzebeständigen
wärmeleitenden Werkstoff herzustellen, wie beispielsweise aus einem Werkstoff des Typs Kohlenstoff-Kohlenstoff.
Bei derartigen Düsen sind die bekannten Verbindungen bis heute nicht zufriedenstellend,■wie sie
beispielsweise in der US-PS 3 228 186 beschrieben sind. Die dort offenbarte Düse gehört nicht zum "heißen" Typ ,
d.h. sie besteht nicht aus einem hitzebeständigen Werkstoff, der sich beim Abschuß stark aufheizt. Die sich
vollständig aufheizenden Düsen müssen in der Tat im Bereich ihrer Verbindung mit dem gewickelten Mantel thermisch
ausserordentlich gut isoliert werden, da dieser nur eine sehr begrenzte Aufheizung verträgt. Daraus ergibt sich
Akte: 111/68 - VNR: 110086 -6-
ein relativ komplexer Aufbau im Bereich der Verbindungsstelle Düse-Mantel. Bei einer bekannten Ausführungsform
geschieht die Verbindung unter Zwischenschaltung eines metallischen Ansatzstücks zwischen dem gewickelten Mantel,
einem Befestigungsflansch der Düse und einer auf die Düse aufgeschraubten Kontermutter und ist wie diese aus einen
hitzebeständigen wärmeleitenden Material sowie aus verschiedenen isolierenden Teilen hergestellt.
v ■ 1
Eine solche Baugruppe von Einzelteilen besitzt einen relativ komplexen Aufbau, der sich auf die Kosten für die Herstellung
und den Zusammenbau auswirkt. Darüberhinaus ist die Masse der verschiedenen Bauteile, insbesondere der
metallischen Bauteile, ganz offensichtlich ein Hemmnis
auf dem Wege zu einer Gewichtsoptimierung des Triebwerks.
In der US-PS 3 648 461 wurde zwar bereits eine mechanische
und isolierende Verbindung zwischen der Brennkammerwand eines Rakententriebwerks für feste Treibstoffe und
einer "heißen" Düse aus einem Kohlenstoff-Verbundwerkstoff beschrieben. Abgesehen davon, daß diese Verbindung für
einen metallischen Brennkammermantel vorgesehen ist und nicht für einen aus Fäden gewickelten Brennkammermantel ,
besteht diese Verbindung wiederum aus zahlreichen Teilen, nämlich aus einem kegelstumpfförmigen Teil aus einem
Werkstoff des Typs Kohlenstoff-Kohlenstoff, aus einem metallischem Verbindungsring und aus einer Wärmedämmung.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die vorstehenden Nachteile zu beseitigen und ein Düsentriebwerk der eingangs
beschriebenen Gattung mit einer mechanischen und isolierenden Verbindung zwischen Düse und Mantel vorzuschlagen, die sich
durch einfachere und leichtere Bauweise vom Stande der Tedinik unterscheidet.
Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei dem eingangs
-I-
Akte: 111/68 - VNR: 110086 -7-
beschriebenen Düsentriebwerk erfindungsgemäß dadurch,
daß an der Verbindungsstelle ein einziger Verbindungsring angeordnet ist, in den die Düse eingesetzt ist
und der mit dem gewickelten Mantel elastisch verbunden ist und aus einem isolierenden, mechanisch festen und
gegen Wärme- und Kraftschocks beständigen Werkstoff geringer Dichte besteht.
In besonders vorteilhafter Weise besteht der Verbindungsring aus einem Verbundwerkstoff mit in mehrere Richtungen
weisenden Einlagen und einer keramischen Matrix* -Derartige Werkstoffe sind beispielsweise in der FR-PS 2 276 916
und in den französischen Patentanmeldungen 78 09 103,
78 13 415 und 80 01 009 der gleichen Anmelderin beschrieben.
Gemäß den durch die vorstehend genannten Druckschriften bekannten Techniken können die Einlagen aus Fasern aus
Aluminiumoxid oder Siliciumdioxid bestehen. Diese Fasern
sind in Form einer in viele Richtungen weisenden Textur angeordnet, beispielsweise in Form einer regelmässigen
Kreuzung in drei, vier oder sechs Richtungen. Diese in viele Richtungen weisende Textur kann beispielsweise
erhalten werden durch ein dreidimensionales Gewebe, durch einen Aufbau mittels extrudierter Rundstäbe,
die aus Fasern bestehen, die durch ein vernetzbares Harz miteinander verbunden sind, durch Wickeln
von Fäden auf Rundstäben, oder durch jede andere geeignete Maßnahme=
Diese in viele Richtungen weisende Textur der Verstärkungseinlage wird nachfolgend mit einer Matrix aus Siliciumdioxid
oder Aluminiumoxid getränkt. Diese Matrix kann erhalten v/erden, indem man die Textur der Verstärkungseinlagen mit einem Zement tränkt 5 oder indem man sie
Akte: 111/68 -VNR: 1i3(3b3 9-7
-8- ■
mit einem Silikonharz imprägniert, weiches bei seiner \
thermischen Zersetzung Siliciumdioxid zurückläßt. |
Diese Behandlungen können mehrfach angewandt werden. \
Der auf diese Weise erhaltene Rohling des Verbindungs- \
rings kann maschinell bearbeitet werden, wenn er noch \
nicht die vorgesehene endgültige geometrische Form ■
Desitzt.
Unter den verschiedenen geeigneten Werkstoffen können
diejenigen des Typs SiIiciumdioxjd-Siliciumdioxjd (Ver- ^
Stärkungsfasern aus Siliciumdioxid in einet" Si 1 iciumdioxid-Matrix),
Aluminiumoxid-Aluminiumoxid oder Zirkonoxid-Zirkonoxid ausgewählt werden- Diese Aufzählungist
jedoch keineswegs einschränkend; insbesondere können die vorstehend beschriebenen verschiedenen Bestandteile
auf die verschiedenste Art miteinander vereinigt werden. Der wesentliche Gesichtspunkt dabei ist der, daß der
ausgewählte Werkstoff Eigenschaften besitzt, die mit denjenigen der beschriebenen Werkstoffe vergleichbar sind,
d.h. thermische Isolationseigenschaften, ausreichende mechanische Festigkeit insbesondere eine Warmfestigkeit
im Bereich der Berührung mit der Düse, gute Beständigkeit gegenüber einer thermischen und mechanischen Schockbehandlung,
Beständigkeit gegenüber Verbrennungsgasen,und eine Dichte besitzt, die so gering wie möglich ist, um
das Gewicht des Verbindungsrings und damit des Triebwerks zu begrenzen.
Die Verwendung von Verbundwerkstoffen ist auf dem Gebiet
der Düsen an sich bekannt, wie beispielsweise aus den US-Patentschriften 4 063 684 und 4 180 211 hervorgeht,
sie ist jedoch besonders vorteilhaft im Hinblick auf die Herstellung des einzigen erfindungsgemäßen Verbindungsrings, insbesondere dann, wenn der Verbundwerkstoff auf
der Basis von Siliciumdioxid, Aluminiumoxid oder Zirkonoxid
Akte: 111/68 - VNR: 1 10086 -9-
gewählt wurde, weil diese Werkstoffe Isolationseigenschaften
haben, die wesentlich besser sind als diejenigen der bekannten Verbundwerkstoffe auf der Grundlage von Kohlenstoff
.
Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung kann
die Verbindung der Düse mit dem Verbindungsring durch eine Verschraubung bewirkt werden oder auf jede andere geeignete
Weise durch einen Sicherungsring oder insbesondere durch
Scherstifte.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes
sind in den übrigen Unteransprüchen sowie in der Detailbeschreibung angegeben, in der drei verschiedene
Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes beschrieben
werden.
Der Stand der Technik urd der Erfindungsgegenstand werden
nachfolgend anhand der Figuren 1-5 näher beschrieben .
Es zeigen :
Fig. 1 einen axialen Halbschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels
einer Verbindungsstelle Mantel-Düse nach dem Stand der Technik,
Fig. 2 einen axialen Halbschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels der Verbindungsstelle Mantel-Düse nach
dem Stand der Technik,
Fig. 3 einen axialen Halbschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Verbindungsstelle
Mantel-Düse,
- 10 -
Akte: 111/68 - VNR: 110086 -10-
Fig. 4 einen axialen Halbschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Verbindungsstelle
Mantel-Düse und
Fig. 5 einen axialen Halbschnitt eines dritten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Verbindungsstelle
Mantel-Düse.
In den Figuren sind gleiche TexUe mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Die Fig.1 zeigt eine herkömmliche Düse 1 mit-einer Verengung
2, einem engsten Querschnitt in Form eines Kragens 3 und einer Erweiterung 4. Die Düse 1 ist in einer Baugruppe 5
montiert, zu der eine Brennkammer für einen nicht dargestellten festen Treibstoff gehört , die durch einen gewickelten
Mantel 6 begrenzt ist. Dieser Mantel ist gegen ^ Hitzeeinwirkung auf der Innenseite durch einen Wärmeschutz
aus einem Elastomer geschützt. Die Verbindung Mantel-Düse erfolgt unter Zwischenschaltung eines Metallansatzes 8,
der mit dem Mantel 6 durch ein elastisches Bindemittel 9 verbunden ist, welches einen Ausgleich zwischen den Ausdehnungen
des gewickelten Mantels 6 und dem Metallansatz gewährleistet. Der Metallansatz 8 ist mit einem Bundring
10 an der Düse 1 auf eine~geeignete Weise verbunden, beispielsweise
durch eine Verschraubung oder durch einen Sicherungsring.
Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß die Ausführung der "heißen"
Düse aus einem feuerfesten wärmeleitenden Werkstoff dazu geführt hat, im Bereich der Verbindung Mantel-Düse eine
Wärmeisolation vorzusehen. In diesem Falle besitzt die Verbindungsstelle
über die bereits beschriebenen Teile hinaus Isolierkörper 12 und 13, welche den Bundring 10 gegenüber
der Erweiterung 4 der Düse 1 und gegenüber der Anschlagschraube
11 isolieren, die gleichfalls aus einem hitzebeständigen,
- 11 -
Akte: 111/68- -VNR: ί3(Ιθ1θ7Τ2
-11-
sich aufheizenden Werkstoff bestehen.
In Fig.3, die ein erstes Ausführungsbeispiel einer einstückigen
Düse und ihrer Verbindung mit dem Mantel gemäß der Erfindung zeigt, ist die Düse 1 mit ihrem Kragen
und der Erweiterung 4 ebenso wiederzufinden, wie der
gewickelte Mantel 6 und dessen innerer Wärmeschutz 1.
Die Teile 8,10,11,12 und 13 gemäß dem Stand der Technik, d.h. der Metallansatz 8 des Mantels 6, der Bundring 10,
die Anschlagschraube 11 und die beiden Isolierkörper und 13 wurden fortgelassen und^ durch einen einzigen Verbindungsring
14 ersetzt, der an der Düse 1 befestigt und
mittels eines elastischen Bindemittels 9 mit dem' gewickelten Mantel 6 verbunden ist. Der Verbindungsring
14 besteht aus einem Werkstoff geringer Dichte, mit isolierenden Eigenschaften, der gegenüber mechanischen
Kräften sowie gegenüber thermischen und mechanischen Schocks bzw. Stoßbeanspruchungen widerstandsfähig ist.
Auf diese Weise nimmt der einzige Verbindungsring 14 die mechanischen Kräfte an der Verbindungsstelle auf
und isoliert den gewickelten Mantel thermisch von den heißen Teilen der Düse. Die Formgebung des Verbindungsringes 14 berücksichtigt einerseits die Notwendigkeit
einer elastischen Verbindung mit dem gewickelten Mantel und andererseits die Verbindungsart mit der vorgegebenen
Düse ί.
Der Verbindungsring 14 besitzt im allgemeinen eine im wesentlichen konische Außenfläche 15, mittels welcher
die elastische Verbindung mit dem Mantel 6 durchgeführt wird, die beispielsweise aus einer Schicht eines elastomeren
Bindemittels 9 besteht.
An der Düse 1 ist ein im wesentlichen zylindrischer Vorsprung
16 angeordnet, und zwar wie dargestellt im Bereich
- 12 -
Akte: 111/60- VNR: 11 008^ λ λ q η -ι ο
-12-
des Kragens 3, so daß auf diese Weise eine Oberfläche
gebildet wird, welche den Anschluß des Verbindungsrings 14 an die Düse 1 ermöglicht. Der Verbindungsring besitzt
eine im wesentlichen zylinderische Oberfläche 17 und wirkt parallel zu seiner Achse 18 mit der äußeren zylinderischen
Oberfläche des Vorsprungs 16 an der Düse 1 zusammen.
Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig.3 besitzt der zylinderische
Teil des Verbindungsrings ein Innengewinde, während der zylinderische Vorsprung der Dtsrse mit einem Außengewinde
versehen ist, so daß die Verbindung zwischen den beiden Teilen durch Verschraubung ausgeführt wird.
Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß Fig.4 ist der
Verbindungsring 14 in einer Ebene, die senkrecht zu seiner Achse 18 verläuft, von radialen Bohrungen 19 durchdrungen,
die sich teilweise in dem Vorsprung 16 der Düse fortsetzen, und in welche Scherstifte 20 eingesetzt sind,
welche eine feste Verbindung gewährleisten.
Bei dem drittenAusführungsbeispiel gemäß Fig.5 besitzt
die zylindrische Oberfläche 17 des Verbindungsrings 14 an ihrem unteren Teil einen ringförmigen Vorsprung 21,
der in einen komplementären Rücksprung 22 am Vorsprung der Düse eingreift. Im mittleren Teil der zylindrischen
Oberfläche 17 ist eine Ringnut 23 angeordnet, die den äußeren Umfang eines Ringes 24 aufnimmt, dessen innerer
Umfang in einen Zwischenraum eingreift, der zwischen der oberen Fläche 25 des Vorsprungs 16 und einer Ausnehmung
26 gebildet wird, die Teil eines Gewinderinges 27 ist, der in den oberen Teil des Verbindungsringes 14 mittels
eines an dieser Stelle angebrachten Innengewindes eingeschraubt ist.
- 13 -
3.
eerseite
Claims (9)
- Rodgau-3, den 12.5.1981 Zap-he Akte: 11 1/68 - VNR: 110086Patenta η. Sprüche :Düsentriebwerk, insbesondere Raketentriebwerk für feste Treibstoffe, mit einem durch Wickeln eines Faserwerkstoffs hergestellten Mantel als Wand einer Brennkammer einerseits und mit einer aufheizbaren, aus einem feuerfesten, wärmeleitenden Werkstoff bestehenden Düse andererseits, die mit dem Mantel mechanisch und wärmeisoliert verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß an der Verbindungsstelle ein einziger Verbindungsring (14) angeordnet ist, in den die Düse (1) eingesetzt ist, und der mit dem gewickelten Mantel (6) elastisch verbunden ist und aus einem isolierenden, mechanisch festen und gegen Wärme- und Kraftschocks beständigen Werkstoff geringer Dichte besteht.
- 2. Düsentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungsring (14) aus einem Verbundwerkstoff mit in mehrere Richtungen weisenden Einlagen besteht.
- 3. Düsentriebwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbundwerkstoff aus der Gruppe der Werkstoffe Siliciumdioxid-Si1iciumdioxid, Aluminiumoxid-Aluminiumoxid, Zirkonoxid-Zirkonoxid besteht.
- 4. Düsentriebwerk nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungsring (14) eine, im wesentlichen konische Außenfläche (15)-2-Akte: 111/68 - VNR: 110086 -aufweist, mittels welcher er durch ein elastisches Bindemittel (9) mit dem gewickelten Mantel (6) verbunden ist.
- 5. Düsentriebwerk nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Verbindung zwischen dem Mantel (6) und dem Verbindungsring (14) aus einer Schicht eines Elastomeren besteht.
- 6. Düsentriebwerk nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungsring (14) eine im wesentlichen zylindrische Oberfläche (17) aufweist, über die er an einer zylindrischen Außenfläche eines Vorsprungs (16) der Düse (1) befestigt ist.
- 7. Düsentriebwerk nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrische Oberfläche M7) des Verbindungsringes (14) mit einem Innengewinde und der Vorsprung (16) der Düse (1) mit einem entsprechenden Außengewinde zum Verschrauben der beiden Teile versehen sind.
- 8. Düsentriebwerk nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungsring (14) von radialen Bohrungen (19) durchdrungen ist, die sich teilweise im Vorsprung (16) der Düse (1) fortsetzen und in die Scherstifte (2o) eingesetzt sind.
- 9. Düsentriebwerk nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Teil des Verbindungsringes (14) an seinem unteren Teil einen ringförmigen VorsprungAkte: 1T1 /68 - VNR: 110086 -3-(21) aufweist, der in einen komplementären, ringförmigen Rücksprung (22) an dem Vorsprung (16) der Düse (1) eingreift und in seinem mittleren Teil eine Ringnut (23) besitzt, die den äußeren Umfang eines Ringes (24) aufnimmt, dessen innerer Umfang zwischen den Vorsprung (16) der Düse und eine Ausnehmung (26) eines Gewinderinges (27) eingreift, der in den oberen Teil des Verbindungsringes (14) mittels eines dort angebrachten Gewindes eingeschraubt ist.
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