DE3423468A1 - METHOD FOR FASTENING THE FORBIDDEN DRIVER SET OF A SOLID FUEL ENGINE - Google Patents
METHOD FOR FASTENING THE FORBIDDEN DRIVER SET OF A SOLID FUEL ENGINEInfo
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Description
9559 Patentabteilung9559 patent department
Verfahren zur Befestigung des Stirnbrennertreibsatzes eines FeststoffraketentriebwerksMethod for attaching the front burner propellant of a solid rocket engine
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Befestigung eines Stirnbrennertreibsatzes an der Brennkammerwand eines Feststoffraketentriebwerkes, wobei zwischen Treibsatz und Brennkammerwand eine Schicht aus gehärtetem Kunststoff vorgesehen ist.The invention relates to a method for fastening an end burner propellant charge to the combustion chamber wall a solid rocket engine, with a layer of hardened between the propellant charge and the combustion chamber wall Plastic is provided.
Ein derartiges Verfahren ist aus den Unterlagen des deutschen Gebrauchsmusters 6 600 205 bekannt. Der mit einer Isolationsschicht versehene Treibsatz wird dabei in die Brennkammer unter Bildung eines Ringspaltes zwischen Isolationsschicht und Brennkammerwand gegeben, worauf der Ringspalt mit der Kunststoffmasse ausgeschäumt wird. Dadurch soll die Befestigung des Treibsatzes auch bei starken Temperaturschwankungen gewährleistet sein.Such a method is known from the documents of the German utility model 6 600 205. The one with a The propellant charged with the insulation layer is transported into the combustion chamber with the formation of an annular gap between the insulation layer and combustion chamber wall, whereupon the annular gap is foamed with the plastic compound. Through this the attachment of the propellant should be guaranteed even with strong temperature fluctuations.
Bei einem Stirnbrennertreibsatz hat die nach diesem Gebrauchsmuster neben der Isolationsschicht zusätzlich erforderliche Kunststoffschaumschicht jedoch eine Verkleinerung der Brennfläche zur Folge und damit eine entsprechende Verringerung des Treibstoffdurchsatzes. Zum Beispiel wird bei einem Treibsatzdurchmesser von 330 mm durch eine zusätzliche Kunststoffschaumschicht mit einer Dicke von 3 mm die Brennfläche und damit der Treibstoffdurchsatz um ca. 4 % verringert.In the case of a forehead burner propellant, according to this utility model In addition to the insulation layer, however, a reduction in the size of the plastic foam layer required the combustion surface and thus a corresponding reduction in fuel throughput. To the For example, with a propellant charge diameter of 330 mm, an additional plastic foam layer with a Thickness of 3 mm reduces the burning surface and thus the fuel throughput by approx. 4%.
Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer auch bei großen TemperaturSchwankungen zuverlässigen Befestigung des Stirnbrennertreibsatzes durch Verringerung der Dicke der Isolationsschicht den Treibstoffdurchsatz zu vergrößern, ohne die Isolationswirkung der Isolationsschicht zu beeinträchtigen. The invention, as it is characterized in the claims, is based on the object, even with large ones Temperature fluctuations ensure reliable attachment of the front burner propellant increasing the fuel throughput by reducing the thickness of the insulation layer without to impair the insulation effect of the insulation layer.
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Die Erfindung beruht auf der überraschenden Feststellung, daß sich die Temperaturleitfähigkeit einer Kunststoffschaumstoff schicht bei deren Kompression merklich vermindert. The invention is based on the surprising finding that the thermal diffusivity of a plastic foam layer noticeably diminished when it is compressed.
Diese Feststellung wurde mit der in der Zeichnung dargestellten Versuchsanordnung getroffen. Darin zeigen jeweils schematisch:This determination was made with the test arrangement shown in the drawing. In it each show schematic:
Figur 1 einen Querschnitt durch mehrere übereinander angeordnete Kunststoffschaumplatten;FIG. 1 shows a cross section through several plastic foam sheets arranged one above the other;
Figur 2aFigure 2a
und 2b jeweils eine Draufsicht auf zwischen zwei Kunststoffplatten angeordnete Meßelemente;and FIG. 2b is a top view of measuring elements arranged between two plastic plates;
Figur 3 einen Längsschnitt durch ein Feststoffraketentriebwerk; undFIG. 3 shows a longitudinal section through a solid rocket engine; and
Figur 4 eine Detailansicht von Figur 3 in vergrößerter Wiedergabe.FIG. 4 shows a detailed view of FIG. 3 in an enlarged reproduction.
Gemäß Figur 1 wurden sechs Kunststoffschaumstoffplatten A bis F übereinander angeordnet. Die Schaumstoffplatten A bis F bestehen aus einem handelsüblichen Polyurethanschaum (Typ MH 25-65 der Firma Elastogran Kunststoff-Technik GmbH, Lernförde) und weisen jeweils eine Dicke von 6 mm auf.According to Figure 1, six plastic foam sheets were A to F arranged one above the other. The foam sheets A to F consist of a commercially available polyurethane foam (type MH 25-65 from Elastogran Kunststoff-Technik GmbH, Lernförde) and each have a thickness of 6 mm.
Die Schaumstoffplatten A bis F sind zwischen einer auf 2000C erwärmten Metallplatte 1 und einer auf Raumtemperatur befindlichen Metallplatte 2 angeordnet. Ferner ist ein Widerstandselement 3 zwischen der erwärmten Platten 1 und der Schaumstoffplatte A sowie ein Widerstandselement 4 zwischen den Schaumstoffplatten E und F angeordnet, desgleichen, wie aus Figur 2a und 2b ersichtlich, ein Widerstandselement 5 sowie zwei im Abstand voneinanderThe foam plates A to F are arranged between a metal plate 1 heated to 200 ° C. and a metal plate 2 which is at room temperature. Furthermore, a resistor element 3 is arranged between the heated plates 1 and the foam plate A and a resistor element 4 between the foam plates E and F, as can be seen from FIGS. 2a and 2b, a resistor element 5 and two spaced apart
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angeordnete Thermoelemente 6 und 7 zwischen den Schaumstoffplatten A und B sowie zwei im Abstand voneinander angeordnete Thermoelemente 8 und 9 zwischen den Schaumstoffplatten B und C. arranged thermocouples 6 and 7 between the foam sheets A and B as well as two spaced apart thermocouples 8 and 9 between the foam sheets B and C.
Aufgrund der mit den Meßelementen 3 bis 8 gemessenen Werte wurde die Temperaturleitfähigkeit berechnet und zwar bei folgenden Druckspannungen zwischen den Metallplatten 1 und 2: 0; 7,5; 15 und 2 0 bar.The thermal diffusivity was calculated on the basis of the values measured with the measuring elements 3 to 8 at the following compressive stresses between the metal plates 1 and 2: 0; 7.5; 15 and 2 0 bar.
Die Berechnung der Temperaturleitfähigkeit erfolgte dabei nach U. Grigull und H. SandnerThe thermal diffusivity was calculated according to U. Grigull and H. Sandner
Springer Verlag, 1979, Seite 62 ff.
Fourier-Gleichung:Springer Verlag, 1979, page 62 ff.
Fourier equation:
Es wurden die in der nachstehenden Tabelle angegebenen Temperaturleitfähigkeitswerte erhalten.The thermal diffusivity values given in the table below were obtained.
Druckspannung (bar)Compressive stress (bar)
2020th
leitfähigkeit
(m2/s)*temperature
conductivity
(m 2 / s) *
(mm)
(Zusammendrückung)Plate thickness
(mm)
(Compression)
7,5 15 207.5 15 20
^Gemessen 480 Sekunden nach Erreichen der Druckspannung.^ Measured 480 seconds after the compressive stress has been reached.
Es ist ersichtlich, daß die Temperaturleitfähigkeit bei einer Druckspannung von 7,5 bar um ca. 18,9%, bei 15 bar um ca. 23,7% und bei 20 bar um ca. 39,5% gegenüber dem nicht-zusammengedrückten Kunststoffschaum (0 bar) abnimmt. It can be seen that the thermal diffusivity at a pressure tension of 7.5 bar by approx. 18.9%, at 15 bar by approx. 23.7% and at 20 bar by approx. 39.5% compared to the uncompressed plastic foam (0 bar) decreases.
Bei der in Figur 1 dargestellten Versuchsanordnung können die Schaumstoffplatten A bis F beim Zusammendrücken seitlich auswandern. Um eine entsprechende ZusammendrückungIn the experimental arrangement shown in FIG. 1, the foam sheets A to F can laterally when pressed together emigrate. To a corresponding compression
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des Kunststoffschaums in einem geschlossenen Raum, also in der Brennkammer eines Feststoffraketentriebwerks zu erhalten, ist eine erheblich höhere Druckspannung erforderlich. Beispielsweise ist für die gleiche Zusammendrückung, die mit einem Polyurethanschaum mit der offenen Anordnung gemäß Figur 1 mit einer Druckspannung von 10 bar erreicht wird, in einem geschlossenen Raum bzw. einer Brennkammer eine Druckspannung von ca. 40 bar erforderlich.of the plastic foam in a closed room, so in the combustion chamber of a solid rocket engine obtained, a significantly higher compressive stress is required. For example, for the same compression, which is achieved with a polyurethane foam with the open arrangement according to FIG. 1 with a compressive stress of 10 bar a pressure tension of approx. 40 bar is required in a closed space or a combustion chamber.
zu erwähnen ist, daß sich Polyurethanschaum für das erfindungsgemäße Verfahren dank seiner hohen Volumenkompressibilität besonders hervorragend eignet. It should be mentioned that polyurethane foam for the invention This process is particularly well suited thanks to its high volume compressibility.
Beispiel
15example
15th
In einen Zylinderblock mit einem Innendurchmesser von 33 6 nun, dessen Innenseite mit einem Polyurethan schaum mit einer Schichtdicke von 3 mm ausgekleidet ist, wird eine auf 800C vorerwärmte Treibstoffmasse gefüllt, die aus 25 Gew.-% Ammoniumperchlorat, 25 Gew.-% Polybutadien-Binder, 40 Gew.-% Borpulver, 8,5 Gew.-% Aluminiumpulver und 1,5 Gew.-% Härter besteht. Die eingefüllte Treibstoffmasse wird unter einem Druck von 40 bar bei einer Temperatur von 800C 12 Stunden aushärten gelassen.In a cylinder block having an inner diameter of 33 6 then, the inside of which a polyurethane foam with a layer thickness of 3 mm is lined, a preheated to 80 0 C fuel mass is filled, consisting of 25 wt .-% ammonium perchlorate, 25 wt .-% Polybutadiene binder, 40% by weight boron powder, 8.5% by weight aluminum powder and 1.5% by weight hardener. The fuel mass filled in is allowed to harden under a pressure of 40 bar at a temperature of 80 ° C. for 12 hours.
2525th
Dadurch wird der Polyurethanschaum auf ca. 40 % vorgespannt. Die Haftung zwischen dem Polyurethanschaum und dem ausgehärteten Treibsatz ist derart ausgezeichnet, daß bei ersten Festigkeitsversuchen der Treibsatz im Inneren riß,As a result, the polyurethane foam is pretensioned to approx. 40%. The adhesion between the polyurethane foam and the cured propellant is so excellent that at first strength tests the propellant tore inside,
^O nicht aber die Haftfläche zwischen dem Polyurethanschaum und dem Treibsatz. Auch bildet sich kein Spalt zwischen Treibsatz und Zylinderblock bei TemperaturSchwankungen zwischen +60 und -400C. Der Treibsatz kann in diesem Temperaturbereich ungehindert um ca. 14,4 mm schrumpfen.^ O but not the adhesive surface between the polyurethane foam and the propellant. Also, no gap between the propellant charge and the cylinder block forms at temperature between +60 and -40 0 C. The propellant charge is free to shrink mm in this temperature range by approximately 14.4.
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Durch die hervorragende Haftung des Treibsatzes an demDue to the excellent adhesion of the propellant to the
•6-• 6-
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Polyurethanschaum kann also jegliche Haftvermittlerschicht zwischen Polyurethanschaum und Treibsatz entfallen. Weiterhin wird gemäß den vorstehenden Ausführungen bei diesem Druck (40 bar) unter Verringerung der Wärmeleitfähigkeit (ca. 2 0 bis 40%) eine Zusammendrückung der Polyurethanschaumstoff schicht um 1,2 mm erzielt. Insgesamt wird dadurch bei einem Treibsatz mit einem Durchmesser von 330 mm + 2,4 mm im Durchmesser und einer Länge von 1500 mm bei einer Treibsatζdichte von 1,72 g/cm3 ein Treibstoffgewinn von 3,2 Kilogramm erzielt, da bei unbedrücktem Treibsatz nur eine Dichte von 1,67 g/cm3 erzielbar ist.Polyurethane foam can therefore dispense with any bonding agent layer between the polyurethane foam and the propellant. Furthermore, according to the above statements, at this pressure (40 bar) with a reduction in thermal conductivity (approx. 20 to 40%), compression of the polyurethane foam layer by 1.2 mm is achieved. Overall, with a propellant charge with a diameter of 330 mm + 2.4 mm in diameter and a length of 1500 mm with a propellant density of 1.72 g / cm 3, a fuel gain of 3.2 kilograms is achieved, since only a density of 1.67 g / cm 3 can be achieved.
Gemäß Figur 3 ist zwischen der Brennkammerwand 10 und dem Treibsatz 12 des Raketentriebwerks eine Schicht 11 aus geschäumten Kunststoff vorgesehen, z. B. aus Polybutadien, Polyurethan oder Silicon. Beim Pressen wird aufden Treibsatz 12 eine Belastung 13 ausgeübt, z. B. von 40 bar, wodurch die Schaumstoffschicht 11 vorgespannt wird, d. h. sich dessen Schichtdicke beispielsweise um 40 % verringert.According to Figure 3, a layer 11 is made between the combustion chamber wall 10 and the propellant charge 12 of the rocket engine foamed plastic provided, e.g. B. from polybutadiene, Polyurethane or silicone. During pressing, a load 13 is exerted on the propellant charge 12, e.g. B. from 40 bar, whereby the foam layer 11 is biased, d. H. its layer thickness is reduced by 40%, for example.
Nach Figur 4, die den Ausschnitt X nach Figur 3 in vergrößerter Wiedergabe darstellt, wird durch das Vorspannen mit der Belastung 13 die Schichtdicke des Schaumstoffs von a auf b verkleinert. Da das Eingießen des Treibstoffs mit einer Temperatur von ca. + 800C erfolgt, wird die Schichtdicke des Schaumstoffs 11 aufgrund der Wärmeausdehnung des Treibsatzes 12 auf c verringert.According to FIG. 4, which shows the detail X according to FIG. 3 in an enlarged reproduction, the layer thickness of the foam is reduced from a to b by the prestressing with the load 13. Since the fuel is poured in at a temperature of approximately + 80 ° C., the layer thickness of the foam 11 is reduced to c due to the thermal expansion of the propellant charge 12.
Im Einsatz—Temperaturbereich des Raketentriebwerks zwisehen -400C und +600C ändert sich die Schichtdicke des Schaumstoffs 11 zwischen d und e, wobei selbst bei -400C noch eine Restvorspannung gegenüber dem nicht vorgespannten Schaumstoff (a) vorhanden ist.In use temperature range of the rocket engine zwisehen -40 0 C and +60 0 C, the layer thickness changes of the foam 11 between d and e, where even at -40 0 C still remaining prestress against the non-prestressed foam (a) is present.
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PatentabteilungPatent department
Durch die Temperaturänderung zwischen dem Eingießen des Treibstoffs (+ 800C) und der tiefsten Einsatztemperatur von -400C schrumpft weiterhin der Treibsatz 12 auch in axialer Richtung, und zwar von f nach g. Der Schaumstoff 11 kann jedoch an der Brennkammerwand 10 gleiten, da erfindungsgemäß ein Binder zwischen der Schaumstoffschicht 11 und der Brennkammerwand 10 nicht vorgesehen ist. Spannungen im Schaumstoff 11 sind damit verhindert. Trotzdem ist durch die erwähnte Vorspannung des Schaum-Stoffs 11 ein Spalt zwischen der Brennkammerwand 10 und dem Schaumstoff 11 ausgeschlossen und damit eine ausreichende Haltekraft des Schaumstoffs 11 an der Brennkammerwand erzielt, a^er auch eine Vergrößerung des Zündvolumens verhindert.Due to the temperature change between the pouring in of the fuel (+ 80 0 C) and the lowest operating temperature of -40 0 C, the propellant charge 12 continues to shrink in the axial direction, namely from f to g. However, the foam 11 can slide on the combustion chamber wall 10 since, according to the invention, a binder is not provided between the foam layer 11 and the combustion chamber wall 10. Tensions in the foam 11 are thus prevented. Nevertheless, a gap between the combustion chamber wall 10 and the foam 11 is excluded by the aforementioned pretensioning of the foam material 11 and thus sufficient holding force of the foam 11 on the combustion chamber wall is achieved, as well as preventing an increase in the ignition volume.
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2020th
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