DE3119712C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbindungseinrichtung für ein Feststoff-Raketentriebwerk nach dem Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1.

Wesentlich ist dabei die Ausbildung der Verbindungsstelle zwischen dem aus einem Faserwerkstoff gewickelten Mantel der Brennkammer und der aufheizbaren ("heißen") Düse, die aus einem feuerfesten wärmeleitenden Werkstoff besteht und die mit dem Mantel mechanisch und wärmeisoliert verbunden werden muß.

Es ist derzeit üblich, die Brennkammer eines Raketentrieb­ werks für feste Treibstoffe aus einem Mantel herzustellen, der durch Wickeln von beispielsweise Fäden aus Glas oder "Kevlar" gebildet wird, die in ein Kunstharz eingebettet sind, welches im allgemeinen ein Epoxydharz ist. Der Mantel dient dazu, die Druckkräfte aufzunehmen und ist auf der Innen­ seite 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 Si­ cherungsring oder jedes 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 ver­ ringern sollten, wobei diese Bestrebungen jedoch im allge­ meinen ohne großen Erfolg geblieben sind. Hierzu gehört ins­ besondere die Methode "Hercules" gemäß der FR-PS 22 51 756, 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 voll­ ständig aufheizbaren Düsen aus einem hitzebeständigen wärme­ leitenden Werkstoff herzustellen, wie beispielsweise aus einem Werkstoff des Typs Kohlenstoff-Kohlenstoff. Bei der­ artigen Düsen sind die bekannten Verbindungen bis heute nicht zufriedenstellend, wie sie beispielsweise in der US-PS 32 28 186 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 ge­ wickelten Mantel thermisch außerordentlich gut isoliert werden, da dieser nur eine sehr begrenzte Aufheizung ver­ trägt. Daraus ergibt sich ein relativ komplexer Aufbau im Bereich der Verbindungsstelle Düse-Mantel. Bei einer be­ kannten Ausführungsforn geschieht die Verbindung unter Zwischenschaltung eines metallischen Ansatzstückes zwischen dem gewickelten Mantel, einem Befestigungsflansch der Düse und einer auf die Düse aufgeschraubten Kontermutter und ist wie diese aus einem hitzebeständigen wärmeleitenden Material sowie aus verschiedenen isolierenden Teilen hergestellt.

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 36 48 461 wurde zwar bereits eine mechanische und isolierende Verbindung zwischen der Brennkammerwand eines Raketentriebwerks für feste Treibstoffe und einer "heißen" Düse aus einem Kohlenstoff-Verbundwerkstoff beschrieben. Ab­ gesehen 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 metallischen Verbindungs­ ring und aus einer Wärmedämmung.

Durch die US-PS 32 12 257 ist eine gattungsgemäße Verbindungs­ einrichtung bekannt, die aus zahlreichen ringförmigen Bautei­ len besteht, nämlich aus einem Tragring, einem Haltering, einem Dichtring, einer Verlängerung, einer Außenhülle und einer weiteren Verlängerung. Diese Vielzahl von Teilen, von denen eines aus einem gut wärmeleitfähigen Metall besteht, muß äußerst paßgenau hergestellt werden, und sowohl gegen­ über den hohen Temperaturen als auch gegenüber Wärme­ dehnungen beständig sein. Der bauliche Aufwand ist außer­ ordentlich groß, zumal für die Befestigung zusätzlich noch Schrauben benötigt werden, um eine Übertragung axialer Schub­ kräfte zu gewährleisten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Nach­ teile des Standes der Technik zu beseitigen und eine Verbin­ dungseinrichtung der eingangs beschriebenen Gattung anzu­ geben, die Mantel und Düse mechanisch zuverlässig verbindet, gleichzeitig aber thermisch voneinander isoliert, und die sich durch einfachere und leichtere Bauweise vom Stande der Technik unterscheidet.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei der eingangs beschriebenen Verbindungseinrichtung erfindungsgemäß durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1.

In besonders vorteilhafter Weise ist der Isolierwerkstoff des Verbindungsrings ein Verbundwerkstoff aus in mehrere Richtungen weisenden Verstärkungseinlagen, die in eine keramische Matrix eingebettet sind. Derartige Werkstoffe sind beispielsweise in der FR-PS 22 76 916 und in den französischen Patentanmeldungen 78 13 415 und 80 01 009 der gleichen Anmelderin beschrieben.

Gemäß den durch die vorstehend genannten Druckschriften be­ kannten Techniken können die Einlagen aus Fasern aus Alu­ miniumoxid oder Siliziumdioxid bestehen. Diese Fasern sind in Form einer in viele Richtungen weisenden Textur ange­ ordnet, beispielsweise in Form einer regelmäßigen Kreuzung in drei, vier oder sechs Richtungen. Diese in viele Rich­ tungen 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 ge­ eignete Maßnahme.

Diese in viele Richtungen weisende Textur der Verstärkungsein­ lage wird nachfolgend mit einer Matrix aus Siliziumdioxid oder Aluminiumoxid getränkt. Diese Matrix kann erhalten werden, indem man die Textur der Verstärkungseinlagen mit einem Zement tränkt oder indem man sie mit einem Silikon­ harz imprägniert, welches bei seiner thermischen Zersetzung Siliziumdioxid zurückläßt. Diese Behandlungen können mehr­ fach angewandt werden. Der auf diese Weise erhaltene Rohling des Verbindungsrings kann maschinell bearbeitet werden, wenn er noch nicht die vorgesehene endgültige geometrische Form besitzt.

Unter den verschiedenen geeigneten Werkstoffen können die­ jenigen des Typs Siliziumdioxid-Siliziumdioxid (Verstärkungs­ fasern aus Siliziumdioxid in einer Siliziumdioxid-Matrix), Aluminiumoxid-Aluminiumoxid oder Zirkonoxid-Zirkonoxid ausge­ wählt werden. Diese Aufzählung ist jedoch keineswegs ein­ schränkend; insbesondere können die vorstehend beschriebenen verschiedenen Bestandteile auf die verschiedenste Art mitein­ ander 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 gegen­ über 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 diesem Sachge­ biet für die Ausbildung der Düsen selbst an sich bekannt, wie beispielsweise aus den US-Patentschriften 40 63 684 und 41 80 211 hervorgeht, sie ist jedoch besonders vorteilhaft im Hinblick auf die Herstellung des einzigen erfindungsgemäßen Verbindungsrings, insbesondere dann, wenn der Verbundwerkstoff auf der Basis von Siliziumdioxid, Aluminiumoxid oder Zirkon­ oxid gewählt wurde, weil diese Werkstoffe lsolationseigenschaften haben, die wesentlich besser sind als diejenigen der be­ kannten Verbundwerkstoffe auf der Grundlage von Kohlen­ stoff.

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 Erfindungsgegen­ standes sind in den übrigen Unteransprüchen sowie in der Detailbeschreibung angegeben, in der drei verschiedene Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes beschrieben werden.

Der Stand der Technik und der Erfindungsgegenstand werden nachfolgend anhand der Fig. 1-5 näher beschrieben .

Es zeigt

Fig. 1 einen axialen Halbschnitt eines ersten Ausführungs­ beispiels einer Verbindungsstelle Mantel-Düse nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 einen axialen Halbschnitt eines zweiten Ausführungs­ beispiels der Verbindungsstelle Mantel-Düse nach dem Stand der Technik,

Fig. 3 einen axialen Halbschnitt eines ersten Ausführungs­ beispiels einer erfindungsgemäßen Verbindungsstelle Mantel-Düse,

Fig. 4 einen axialen Halbschnitt eines zweiten Ausführungs­ beispiels der erfindungsgemäßen Verbindungsstelle Mantel-Düse und

Fig. 5 einen axialen Halbschnitt eines dritten Aus­ führungsbeispiels der erfindungsgemäßen Verbin­ dungsstelle Mantel-Düse.

In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugs­ zeichen 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 darge­ stellten festen Treibstoff gehört , die durch einen ge­ wickelten Mantel 6 begrenzt ist. Dieser Mantel ist gegen Hitzeeinwirkung auf der lnnenseite durch einen Wärmeschutz 7 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 Aus­ dehnungen des gewickelten Mantels 6 und dem Metallansatz 8 gewährleistet. Der Metallansatz 8 ist mit einem Bundring 10 an der Düse 1 auf eine geeignete Weise verbunden, bei­ spielsweise durch eine Verschraubung oder durch einen Sicherungs­ ring.

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 Ver­ bindungsstelle 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, sich aufheizenden Werkstoff bestehen.

In Fig. 3, die ein erstes Ausführungsbeispiel einer ein­ stückigen Düse und ihrer Verbindung mit dem Mantel gemäß der Erfindung zeigt, ist die Düse 1 mit ihrem Kragen 3 und der Erweiterung 4 ebenso wiederzufinden, wie der gewickelte Mantel 6 und dessen innerer Wärmeschutz 7. 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 12 und 13 würden fortgelassen und durch einen einzigen Ver­ bindungsring 14 ersetzt, der an der Düse 1 befestigt und mittels eines elastischen Bindemittels 9 mit dem ge­ wickelten 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 Verbindungs­ ringes 14 berücksichtigt einerseits die Notwendigkeit einer elastischen Verbindung mit dem gewickelten Mantel und andererseits die Verbindungsart mit der vorgegebenen Düse 1.

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 Vor­ sprung 16 angeordnet, und zwar wie dargestellt im Bereich 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 zy­ linderischen Oberfläche des Vorsprungs 16 an der Düse 1 zusammen.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 besitzt der zylinderische Teil des Verbindungsrings ein lnnengewinde, während der zylinderische Vorsprung der Düse 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 fort­ setzen, und in welche Scherstifte 20 eingesetzt sind, welche eine feste Verbindung gewährleisten.

Bei dem dritten Ausführungsbeispiel 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 16 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 einge­ schraubt ist.

Claims (5)

1. Verbindungseinrichtung für ein Feststoff-Raketentriebwerk für die Verbindung einer Gehäuse- Baugruppe, die die Wand einer Brennkammer bindet und einen durch Wickeln eines Faserwerkstoffs gebildeten äußeren Mantel und einen inneren Wärmeschutz aufweist, mit einer Düse, die aus einem feuerfesten, wärmeleitenden Werkstoff be­ steht, unter Verwendung eines wärmeisolierenden ringförmigen Verbindungselements, dadurch gekennzeichnet, daß an der Verbindungsstelle

• a) ein einziger Verbindungsring (14) angeordnet ist, der aus einem gegen Wärme- und Kraftschocks beständigen Isolierwerkstoff besteht und eine erste konische Außenfläche (15) besitzt, die der In­ nenfläche des Mantels (6) zugekehrt ist, und eine zweite ringförmige Oberfläche (17) aufweist, die mit der äußeren Oberfläche der Düse (1) in fester Verbindung steht und
• b) eine Lage aus einem elastischen Bindemittel (9) ange­ ordnet ist, die zwischen der konischen Außenfläche (15) des Verbindungsrings (14) und der gegenüberlie­ genden Innenfläche des Mantels (6) angeordnet ist und den Verbindungsring (14) unmittelbar und haftfest mit der Gehäuse-Baugruppe (5) verbindet,

wobei der einzige Verbindungsring (14) und die Lage aus den elastischen Bindemittel (9) eine mechanisch stabile und wärmeisolierende Verbindung zwischen der Düse (1) und dem Mantel (6) bilden.

2. Verbindungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierwerkstoff des Verbindungsrings (14) ein Verbundwerkstoff aus in mehrere Richtungen weisenden Verstärkungseinlagen ist, die in eine Matrix eingebettet sind.

3. Verbindungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbundwerkstoff aus einem Werkstoff aus der Gruppe Siliziumdioxid-Siliziumdioxid, Aluminiumoxid- Aluminiumoxid und Zirkonoxid-Zirkonoxid besteht.

4. Verbindungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungsring (14) durch ein Gewinde mit der Düse (1) verbunden ist.