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Schubdüse für Feststoff-Raketentriebwerke
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schubdüse für Feststoff-Raketentriebwerke,
die innerhalb der Triebwerksatruktux eingebaut ist.
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Schubdüsen für Feststoff-Raketentriebserke f die im hinteren Bereich
des Triebwerksgehäuses konstrukti.v integriert sind, sind in verschiedenen Ausführungsformen
bekannt. So zeigt z.B. die DE-PS 1 003 516 eine solche Anordnung, bei der die Schubdüse
mit dem konvergent gestalteten hinteren Brennkammerende verschraubt und auf dem
Schubdüsenende das Ende eines Triebwerksmantelteiles aufgeschraubt ist, dessen vorderes
Ende am eigentlichen Triebwerksgehäuse, um unterschiedliche Wärmedehnungen aufnehmen
zu können, ohne feste Verbindung formschlüssig anschließt.
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Auch die DE-PS 22 04 006 offenbart eine Anordnung, wonach die Schubdüse
innerhalb des Triebwerksgehäuses liegt und mit ihrem hinteren Ende mit dem hinteren
Ende des Triebwerksgehäuses fest verbunden ist, während sich das vordere Ende der
Schubdüse, das am hinteren Ende der Brennkammer angeschlossen ist, innerhalb einer
dem Triebwerksgehäuse zugeordneten Gleitbüchse unter Zwischenlage einer wärmeisolierenden
Hemmschicht beweglich abstützt.
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Die bekannten Schubdüsenausführungen und -anordnunqen sind baulich
aufwendig und erreichen die an sie gestellten Festigkeitsanforderungen nur durch
quantitativen Materialeinsatz, was zu schwergewichtigen Konstuktionen führt.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, mit geringem baulichem und
materiallem Aufwand eine innerhalb der Triebwerksstruktur installierte Schubdüse
hoher Festigkeit zu schaffen, die trotz Betriebsbelastung konturtreu bleibt und
außerdem durch ihre Gestaltung zusätzlichen Raum für Treibstoffmasse mit sich bringt.
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Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß die Schubdüse
als ein hohles, in Triebwerkslängsrichtung gestrecktes Ringgehäuse ausgebildet ist
das im Querschnitt ähnlich einem verschobenen Parallelogramm ausgeführt ist, dessen
kürzere vordere, radial äußere Seite bzw. Ringwand und dessen kürzere vordere, radial
innere Seite bzw. Ringwand zusammen keilförmig in die Brennkammer hineinragen, wobei
die vordere, radial innere Ringwand zur Anordnung eines die Kontur des Düsenhalses
bildenden, thermisch widerstandsfähigen massiven Ringes dient, während die hintere,
radial äußere Ringwand insbesondere zylindrisch und mit der Triebwerks struktur
lösbar oder unlösbar verbunden ist, und ferner die hintere, radial innere Ringwand
den hinteren Teil des divergenten Schubdüsenbereiches bildet.
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Der gemäß der Erfindung gestaltete Schubdüsenkörper stellt einen in
sich steifen Kasten dar, der zusammen mit dem zylindrischen Triebwerksgehäuse bzw.
der Brennkammer einen in sich geschlossenen und verstärkten Festigkeitsverband bildet
und allen auf die Schubdüse einwirkenden Belastungen in günstiger Weise standzuhalten
vermag sowie eine optimale Kräfteübertragunq auf das Triebwerksgehäuse gewährleistet.
So wird der aus dem Brennkammerdruck resultierende, auf die Stirnfläche der
Schubdüse
lastende Axialdruck aufgeteilt und im Bereich der Schubdüsenbefestigung als Zug-
und Druckkräfte auf das Triebwerksgehäuse übertragen, und zwar einmal über die vordere,
radial äußere Ringwand als auf die hintere, radial äußere Ringwand einwirkende Schubkraft
und zum anderen über die hintere, radial innere Ringwand als auf die hintere, radial
äußere Ringwand einwirkende Zugkraft. Dabei wird der Schubdüsenkörper durch den
auf die Projektionsfläche des divergenten Bereiches der Schubdüse lastenden axialen
Schubgegendruck zumindest zum Teil in Längsrichtung entlastet.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß der den Düsenhals
bildende massive Ring und die vordere, radial innere Ringwand des Schubdüsenkörpers
nur in radialer Richtung von innen her thermisch belastet sind, und daß die vordere,
radial äußere Ringwand, die mit einer thermischen Schutzschicht versehen ist, den
Düsenhalsbereich vor zusätzlichen Wärmebelastungen schützt.
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Ferner ist der erfindungsgemäß yestaltete Schubdüsenkörper durch seine
steife Kastenbauweise, die dünne Wandstärken erlaubt, insgesamt leichtgewichtig.
Schließlich bringt die erfindungsgemäße Formgebung des Schubdüsenkörpers festigkeitsmäßig
noch den Vorteil mit sich, daß die radial von innen her und die in axialer Richtung
von vorne her auf den hohlen Schubdüsenkörper einwirkenden Druckkräfte sich gegenseitig
in hohem Maße aufheben, insofern, als die einen Druckkräfte den Körper zusammenzudrücken,
während die anderen Druckkräfte diesen aufzuweiten versuchen.
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Eine weitere Möglichkeit zum Ausgleich von angreifenqen Kräften bietet
die erfindungsgemäße Gestaltung der Schubdüse insofern, als durch gezielte Dimensionierung
der entsprechenden Bereiche des Ringgehäuses die Beibehaltung der Kontur der Schubdüse
erreicht werden kann, dadurch, daß die aus den auf das Ringgehäuse lastenden Druckkräften
resultierenden Druckspannungen sich mit den Spannungen ausgleichen, die durch die
Dehnungen des Ringgehäuses infolge Erwärmung während des Betriebes hervorgerufen
werden. Dabei tritt das Phänomen auf, daß die in den radial innenliegenden Ringwänden
auftretenden Wärmedehnungen versuchen, diese Ringwände zu strecken, wodurch der
Ringkeil radial nach auswärts gebogen werden würde, während die auf die vordere,
radial äußere Ringwand lastenden Druckkräfte diese radial nach innen zu drücken
versuchen, wobei sich beide Kräfte, die erstgenannten Wärmedehnungen und die Druckbelastung,
gegenseitig aufheben.
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In Ausgestaltung der Erfindung wird zur Erhöhung des Widerstandsmomentes
des vorderen Bereiches des Schubdüsenkörpers vorgeschlagen, die vordere, radial
äußere Ringwand nach vorne hin gewölbt auszubilden. Da dieser Bereich gegenüber
den angreifenden Druckkräften wie eine bogenförmige Staumauer wirkt, ist es möglich
diese Ringwand mit geringerer Wandstärke auszubilden, so daß hier zusätzlich Baugewicht
gespart werden kann.
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Eine Möglichkeit, einet ftemuagléidW SPS SdidxSbew't herkeizuführen
oder zumindest diese Wirksamkeit d;ir auf diesen liegenden Belastung zu vermindern,
besteht nach einem weiteren Merkmal der Erfindung darin, den Innenraum des Ringgehäuses
unter Uberdruck (Gasdruck) zu setzen, der die äußeren Drücke größtenteils kompensiert
und die durch die thermische Belastung hervorgerufene Verminderung der Materialfestigkeit
ausgleicht.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung dargestellt.
Es zeigen Fig. 1 einen Längsschnitt durch den Bereich der Schubdüse eines Feststoffraketentriebwerks
und die Fig. 2 und 3 Varianten zu der Ausführung nach Fig. 1.
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Das Triebwerks- bzw. Brennkammergehäuse 1 ist zylindrisch ausgebildet
und nimmt in seinem mittleren Bereich die Treibstoff ladung 2, im vorliegenden Fall
ein Innenbrenner, auf. Innerhalb des hinteren Teiles des Triebwerksgehäuses 1 ist
die Schubdüse als eigenes Bauteil eingesetzt. Dabei bildet der Schubdüsenkörper
ein hohles, in Triebwerkslängsrichtung sich erstreckendes Ringgehäuse 3, das im
Querschnitt ähnlich einem verschobenen Parallelogramm ausgeführt ist. Dessen kürzere
vordere, radial äußere Seite bzw. Ringwand 4 und dessen kürzere, radial innere Seite
bzw. Ringwand 5 ragen#keilförmig in die Brennkammer hinein, wobei die Ringwand 5
zur Anordnung eines die Kontur
des Düsenhalses bildenden Ringes
6 dient. Die längere hintere, radial äußere Seite bzw. Rinqwand 7 ist zylindrisch
und an dem hier ebenfalls zylindrischen Triebwerksgehäuse 1 lösbar oder unlösbar,
im vorliegenden Fall durch mehrere Reihen von Schrauben- oder Nietverbindungen 8,
befestigt. Die längere hintere, radial innere Seite bzw. Ringwand . 9 bildet den
hinteren divergenten Schubdüsenbereich.
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Mit Hilfe der Schrauben- oder Nietverbindungen 8 werden gleichzeitig
Stabilisierungsflügel 10 befestigt, so daß ein überaus steifer Festigkeitsverband
entsteht.
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Gemäß Fig. 2 ist das die Schubdüse bildende Ringgehäuse 3 ohne Durchbrechungen
ausgeführt und sein Innenraum 11 steht unter Überdruck, wodurch den auf das Ringgehäuse
3 lastenden äußeren Druckkräften engegengewirkt wird bzw. letztere werden im wesentlichen
kompensiert.
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Die Verbindung des Rinqcrehäuses 3 und der Stabilisierungsflügel 10
erfolgt hier z.B. durch Schweißen.
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Wie aus Fig. 3 hervorgeht, ist die vordere, radial äußere Ringwand
14 konvex, also nach vorne hin gewölbt ausgebildet.
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Die vorne keilförmige Gestaltung des Ringgehäuses 3 erlaubt eine zusätzliche
Unterbringung ,()n Treibstoffmasse im Bereich 12 um diesen Ringteil 4,5 bzw. 1-4,5
herum.
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Die vordere, radial äußere Ringwand 4 bzw. 14 sowie die hintere, radial
innere Ringwand 9 sind jeweils mit einer Wärmeisolationsschicht 13 versehen.
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