DE3133787A1

DE3133787A1 - Verwendung einer wasserhaltigen, von fasern oder einer matte durchsetzten alkalisilikatschicht und verfahren zur herstellung einer isolierschicht

Info

Publication number: DE3133787A1
Application number: DE19813133787
Authority: DE
Inventors: Heinz Günter 8035 Gauting Langer
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1981-08-26
Filing date: 1981-08-26
Publication date: 1983-03-10
Also published as: US4552070A; GB2105443A; FR2511938A1; FR2511938B1; GB2105443B; DE3133787C2

Description

Isolierschicht für Feststoff-Raketentriebwerke

Die Erfindung bezieht sich auf eine Isolierschicht am Außenumfang des Treibsatzes und/oder der Innenseite des Brennkammergehäuses eines Raketentriebwerks.

Die Treibsatz-Isolierschicht von StauStrahlraketen soll einerseits den Treibsatz gegenüber einer Erwärmung durch die Luftreibung der Rakete thermisch isolieren, um eine Beeinträchtigung des Abbrandes und damit des Druckarbeitsbereichs des Treibsatzes zu verhindern, und andererseits das Brennkammergehäuse vor einer zu großen Erwärmung durch die Verbrennungsgase schützen. Da mit zumehmender Dicke der Treibsatz-Isolierschicht der Treibsatz-Durchmesser und damit die Reichweite der Rakete verringert wird, ist man weiterhin bestrebt, den genannten Forderungen durch eine möglichst dünne Isolierschicht zu entsprechen.

Es ist bekannt, die Treibsatz-Isoliecschicht aus Kunststoff, z.B. Polybutadien herzustellen (DE-OS 27 58 814). Da der Kunststoff in Gegenwart der Verbrennungsgase jedoch schmilzt und sich zersetzt, wird eine Erwärmung des Brennkammergehäuses auf hohe Temperaturen dadurch nicht verhindert. Auch ist vorgeschlagen worden./ zur Erhöhung des Wärmedurchlaßwiderstands der Isolierschicht gegenüber den Ver-

brennungsgasen in den Kunststoff anorganische Materialien, wie AlkalisiLikate, einzubringen (US-PS 3 916 618). Da die Kunststoffmatrix gleichwohl schnell schmilzt und sich zersetzt, ist der dadurch erzielte Effekt jedoch nur sehr gering. 5

Der Erfindung/ wie sie in den Ansprüchen 1 bis 3 gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, eine Isolierschicht am Außenumfang des Treibsatzes und/oder auf der Innenseite des Brennkammergehäuses, einschließlich des Gehäuses der Nachverbrennungskammer , eines Raketentriebwerks bereit zu stellen, die bei geringer Schichtdicke nicht nur eine zu starke Erwärmung des Treibsatzes durch die Luftreibung der Rakete verhindert, sondern darüberhinaus sicherstellt, daß das Brennkammergehäuse bei der Verbrennung nur eine geringe Erwärmung erfährt. In den Ansprüchen 4 bis 6 sind Verfahren angegeben, die sich zur Herstellung der erfindungsgemäßen Isolierschicht besonders eignen.

Wasserhaltige Alkalisilikatschichten, die von Fasern oder Matten durchsetzt sind und bei hohen Temperaturen aufschäumen, werden im Bauwesen als Brandschutzplatten eingesetzt. Sie weisen einen Wassergehalt von 20 bis 70 Gew.-% auf. Als Fasern werden insbesondere Glasfasern verwendet, und als Matten Glasfasergewebe oder Drahtnetze. Die Fasern oder Matten werden dabei in einer Menge von 2 bis 40 Gew.-%, vorzugsweise 5 bis 25 Gew.-%, bezogen auf das in der Platte enthaltene Alkalisilikat, eingesetzt. Das Aufschäumen erfolgt bei Einwirkung hoher Temperaturen, wie sie z.B. im Brandfall auftreten, unter Absieden des in der Platte enthaltenen Wassers.

Eine Alkalisilikatplatte mit einer Dicke von 2 mm führt dabei zu einer etwa 15 mm dicken Schaumschicht sehr geringer Wärmeleitfähigkeit (ca. 0,06 W/k-m). Zur Bildung der Schaumschieht wird ein Blähdruck von ca. 5 bar als erforderlich angesehen. Oberhalb ca. 95O⁰C schmilzt die Schaumschicht wieder zusammen (vgl. DE-AS 1 658 806 sowie die Druckschrift "Palusol-^Brand-

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schutzplatten"der Firma BASF AG, Ludwigshafen,- Bundesrepublik Deutschland). Auch ist die gebildete Schaumschicht brüchig.

In dem Gasgenerator eines Raketentriebwerks wird ein hoher Druck von beispielsweise 30 bar aufgebaut. Die Temperatur in dem Gasgenerator beträgt beispielsweise 1300⁰C . Sie ist in der Nachverbrennungskammer noch bedeutend höher. Die Strömungsgeschwindigkeit der Verbrennungsgase ist erheblich (z.B. 0,3 Mach in der Nachverbrennungskammer).

Es ist nun als überraschend anzusehen, daß die vom Bauwesen her bekannte wasserhaltige, schäumbare Alkalisilikatschicht trotz der genannten Bedingungen auch im Gasgenerator bzw. in der Nachverbrennungskammer eines Raketentriebwerks ihre hervorragenden wärmeisolierenden Eigenschaften voll entfaltet.

Der Grund, warum sich die Alkalisilikatschicht trotz des Gegendrucks von beispielsweise 30 bar im Raketentriebwerk aufbläht, dürfte in der hohen Temperatur der Verbrennungsgase und dem entsprechend hohen Wasserdampfdruck in der Schicht zu sehen sein. Auch dauert der Schmelzvorgang der Alkalisilikatschicht selbst bei den genannten hohen Temperaturen relativ lange (z.B. 10 Minuten), so daß während einer Brenndauer des Treibsatzes von beispielsweise 1 bis 2 Minuten die Schaumschicht nur geringfügig zusammenschmilzt, so daß ihr Wärmedurchlaßwiderstand kaum beeinträchtigt wird.

So wurde beim Abbrennen eines Bortreibsatzes , der mit einer 2 mm dicken erfindungsgemäßen Alkalisilikatschicht ummantelt war, an der Außenseite des aus einer Stahlhaut bestehenden Brennkammergehäuses eine Temperaturerhöhung von lediglich 5⁰C gemessen.

Zur Herstellung der Stahlhaut kann also auch ein Stahl geringerer Güte verwendet werden, Darüberhinaus ist der Einsatz längerer

Treibsätze und damit eine entsprechende Vergrößerung der Reichweite möglich. Ein weiterer Vorteil der Alkalisilikatschicht ist ihr geringer Preis.

Es ist bekannt, daß durch Zugabe von Wasser die Zündtemperatur eines Bortreibsatzes herabgesetzt und damit eine vollständigere Verbrennung in der Nachverbrennungskammer erzielt wird. Der aus der erfindungsgemäßen Isolierschicht entweichende Wasserdampf unterstützt diesen Effekt.

Nachstehend ist die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung beispielsweise erläutert, deren einige Figur im Längsschnitt den Gasgenerator eines Raketentriebwerks während des Abbrandes zeigt.

' Innerhalb des Brennkammergehäuses 1 eines Gasgenerators ist ein Feststoff-Treibsatz 2 vom Stirnbrennertyp angeordnet. Ein zwischen dem Außenumfang des Treibsatzes 2 und der Innenseite des Gehäuses 1 vorgesehener Ringspalt ist mit einer Schicht 3 ausgefüllt, die aus einer wasserhaltigen Silikatschicht besteht, die von Fasern oder einer Matte durchsetzt ist.

Durch die Abbrandtemperatür des Treibsatzes 2 schäumt die Schicht an der Abbrandfront 4 zu einer Schicht 6 auf, deren Schichtdicke ein Vielfaches, z.B. 7-faches , der Schichtdicke der Schicht beträgt. Durch die geringe Wärmeleitfähigkeit und große Schichtdicke der aufgeschäumten Schicht 6 ist eine Erwärmung des Gehäuses 1 weitestgehend verhindert. Auch ist die Schichtdicke der ungeschäumten oder nur wenig geschäumten Schicht ausreichend, um eine zu große Erwärmung des Treibsatzes 2 durch die Luftreibung der Rakete zu verhindern.

Zur Herstellung der Isolierschicht 3 wird eine wasserhaltige, von Fasern oder einer Matte durchsetzte Natriumsilikatplatte

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auf 60 bis 100⁰C erwärmt, wodurch sie plastisch wird. Derartige Natriumsilikatplatten sind im Handel als Brandschutzplatten erhältlich. Der Treibsatz 2 wird dann mit der plastischen Natriumsilikatschicht ummantelt, wobei die Natriumsilikatschicht auf den Treibsatz mittels eines Silikonklebers aufgeklebt werden kann.

Der Durchmesser des mit der Natriumsilikatschicht ummantelten Treibsatzes 2 ist dabei geringfügig kleiner als der Innendurchmesser des Gehäuses 1, so daß nach dem Einsetzen des Treibsatzes 2 in das Gehäuse 1 zwischen der Natriumsilikatschicht und dem Gehäuse 1 ein Ringspalt gebildet wird. Die Innenseite des Gehäuses 1 und/oder die Außenseite der Natriumsilikatschicht kann gleichfalls mit einem Silikonkleber versehen werden. Alsdann wird das Gehäuse 1 erwärmt, so daß die Natriumsilikatschicht kurzzeitig eine Temperatur von mehr als 100⁰C erreicht, wodurch sie etwas aufschäumt und der Ringspalt zwischen der Natriumsilikatschicht und dem Gehäuse 1 ausgefüllt wird. Der Treibsatz 2 ist dann durch die Schicht im Gehäuse 1 sicher gehalten. Auch wird der Spalt, der am Stoß der plastischen Platte bzw. Schicht beim Ummanteln des Treibsatzes 2 entsteht, durch dieses teilweise Aufschäumen geschlossen.

Eine Herabsetzung der Schichtdicke der Schicht 3 läßt sich erreichen, wenn zwischen der Alkalisilikatschicht und dem Brennkammergehäuse eine Schicht aus geschäumtem Kunststoff vorgesehen wird. Dann übernimmt der geschäumte Kunststoff in erster Linie die Aufgabe, den Treibsatz gegenüber einer Erwärmung durch die Luftreibung der Rakete thermisch zu isolieren, während der Schutz des Gehäuses 1 vor den Verbrennung sga sen auch bei einer geschäumten Schicht 6 geringerer Schichtdicke noch völlig ausreichend ist. Die Schicht aus geschäumtem Kunststoff wird dadurch hervorgebracht, daß in den Ringspalt zwischen der Alkalisilikatschicht und dem Gehäuse eine Kunststoff-Schaummasse gegeben und aushärten gelassaiwird.

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Die Alkalisilikatschicht 3 ist beidseitig mit einem Epoxidharzgewebe von etwa 0,1 mm Dicke versehen. Durch das Epoxidharzgewebe wird verhindert, daß Feuchtigkeit aus der Alkalisilikatschicht in den Treibsatz 2 eindringt. Gleichzeitig verhindert das Epoxidharzgewebe ein Auswandern des Abbrandbeschleunigers aus dem Treibsatz 2 in die Alkalisilikatschicht 3.

Statt des vorstehend geschilderten Ummanteln des Treibsatzes mit der durch Erwärmung plastisch gemachten Alkalisilikatschicht 3 kann auch die Innenseite des Brennkammergehäuses 1 mit der durch Erwärmung plastisch gemachten Alkalisilikatschicht 3 ausgekleidet werden, worauf die Alkalisilikatschicht 3 bzw. das auf ihr befindliche· Epoxidharzgewebe mit einem Haftvermittler versehen wird und dann die Treibstoffmasse eingegossen wird (case-bonding).

Claims

Patentansprüche

1./ Isolierschicht am Außenumfang des Treibsatzes und/oder der Innenseite des Brennkammergehäuses eines Raketentriebwerks , dadurch gekennzeichnet , daß sie eine wasserhaltige, von Fasern oder einer Matte durchsetzte Alkalisilikatschicht (3) aufweist, die beim Abbrand des Treibsatzes (2) aufschäumt.. .

2. Isolierschicht nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η -. zeichnet , daß die Alkalisilikatschicht (3) auf beiden Seiten mit einem Epoxidharzgewebe versehen ist.

3. Isolierschicht nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß zwischen der Alkalisilikatschicht (3) bzw. dem Epoxidharzgewebe und dem Brennkammergehäuse (1) eine Schicht aus geschäumten Kunststoff vorgesehen ist.

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4. Verfahren zur Herstellung der Isolierschicht nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Alkalisilikatschicht auf eine Temperatur erwärmt wird, bei der sie plastisch wird, wonach der Treibsatz mit der plastischen Älkalisilikatschicht ummantelt und unter Bildung eines Ringspaltes zwischen der Alkalisilikatschicht bzw. dem Epoxidharzgewebe und dem Brennkammergehäuse in das Brennkammergehäuse eingesetzt wird und anschließend . auf eine Temperatur erwärmt wird, bei der die Alkalisilikatschicht aufzuschäumen beginnt, um den · Ringspalt zu schließen.

5. Verfahren zur Herstellung der Isolierschicht nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Alkalisilikatschicht auf eine Temperatur erwärmt wird, bei der sie plastisch wird, wonach die Innenseite des Brennkammergehäuses mit der plastischen Alkalischicht ausgekleidet, die Alkalischicht bzw. das Epoxidharzgewebe mit einem Haftvermittler versehen wird, worauf die Treibstoffmasse eingegossen wird.

6. Verfahren zur Herstellung der Isolierschicht nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Alkalisilikatschicht auf eine Temperatur erwärmt wird, bei der sie plastisch wird, wonach der Treibsatz- mit der plastischen Silikatschicht ummantelt und unter Bildung eines Ringspaltes zwischen der Alkalisilikatschicht bzw. dem Epoxidharzgewebe und dem Brennkammergehäuse in das Brennkammergehäuse eingesetzt wird und anschließend in den Ringspalt eine Kunststoffschaummasse gegeben und aushärten gelassen wird.