DE3428469C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schubdüse für Feststoff-Raketentriebwerke gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Schubdüsen, welche als hohles, in Triebswerkslängsrichtung gestrecktes Ringgehäuse ausgebildet sind, sind bekannt. So zeigt die CH-PS 3 59 930 eine Schubdüse, deren Wandstruktur im Längsschnitt einem Dreieck ähnlich ist, dessen kürzeste, vordere Seite den Übergang von maximalen Brennkammerquerschnitt zum Düsenhalsquerschnitt bildet. In Verlängerung der Triebwerkstruktur verläuft die längste, äußere Dreiecksseite strömungsgünstig nach hinten zum Düsenaustritt. Die dritte Dreiecksseite verbindet den Düsenhals mit dem Austrittsquerschnitt und bildet auf diese Weise den divergenten Schubdüsenteil. Da diese dreieckige Wandstruktur rotationssymmetrisch umläuft, bildet sie einen hohlen Torus, in dessen Innenraum die Betätigungs- und Verriegelungsmechanik der Strahlablenkungsvorrichtung untergebracht ist. Die Strahlablenkung erfolgt mit vier in Längsrichtung verlaufenden Metallbändern, deren abgewinkelte hintere Enden nach Bedarf in den Düsenstrahlquerschnitt geschwenkt werden. Die Betätigung geschieht mechanisch oder pneumatisch bei schräger Anströmung der radialen Leitwerksflächen. Die Unterbringung der Strahlablenkungsvorrichtung hat zur Folge, daß die Schubdüsen-Wandstruktur axial hinten und radial außen mehrfach durchbrochen ist, was sich ungünstig auf die mechanische Festigkeit auswirkt. Die Befestigung der Leitwerksflächen direkt an der Schubdüsen-Außenwand bringt zusätzliche Belastungen mit sich. Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, daß durch die langgestreckte Dreiecksform der Wandstruktur relativ viel Raum für die Unterbringung des Feststoff-Treibsatzes verlorengeht.

Demgegenüber besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine konstruktiv einfache Schubdüse mit hoher Festigkeit, hoher thermischer Beständigkeit und guter Konturtreue zu schaffen, welche zusätzlichen Raum für Treibstoffmasse sich bringt.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Die Besonderheit liegt in der - im Längsschnitt - etwa viereckigen Wandstruktur, deren Vorderteil keilförmig in die Brennkammer ragt und mit einem thermisch besonders widerstandsfähigen, massiven Düsenhals-Ring versehen ist. Das von der Wandstruktur gebildete Ringgehäuse ist als Einschubteil in die Triebwerksstruktur eingepaßt und damit verbunden. Insgesamt ergibt sich so eine mechanisch und thermisch besonders wiederstandsfähige und dennoch leichte und platzsparende Bauweise.

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 Kräfteübertragung 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 axial Schubgegendruck zumindest zum Teil in Längsrichtung entlastet.

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. Ferner ist der erfindungsgemäß gestaltete 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 zusammendrücken, während die anderen Druckkräfte diesen aufzuweiten versuchen.

Eine weitere Möglichkeit zum Ausgleich von angreifenden 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.

Die Unteransätze 2 bis 5 enthalten bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung.

Konstruktiv und mechanisch günstig ist die Herstellung des Ringgehäuses aus zwei etwa gleich großen Bauteilen.

Zur Erhöhung des Widerstandsmomentes des vorderen Bereiches des Schubdüsenkörpers wird 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.

Die thermische Widerstandsfähigkeit läßt sich erhöhen, indem die brennkammerseitige Ringwand und die den divergenten Schubdüsenteil bildende Ringwand mit einer Wärmeisolierschicht versehen sind.

Eine Möglichkeit, einen Kräfteausgleich im Schubdüsenkörper herbeizuführen oder zumindest die Wirksamkeit der auf diesem liegenden Belastung zu vermindern, besteht nach einem weiteren Merkmale der Erfindung darin, den Innenraum des Ringgehäuses unter Überdruck (Gasdruck) zu setzen, der die äußere Drücke größtenteils kompensiert und die durch die thermische Belastung hervorgerufene Verminderung der Materialfestkeit ausgleicht.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch den Bereich der Schubdüse eines Feststoffraketentriebwerks und die

Fig. 2 und 3 Varianten zu der Ausführung nach Fig. 1.

Das Triebwerks- bzw. Brennkammergehäuse 1 ist zylindrisch ausgebildet und nimmt in seinem mittleren Bereich die Treibstoffladung 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 zusammen 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. Ringwand 7 ist zylindrisch und an dem hier ebenfalls zylindrischen Triebwerksgehäuses 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 divergierenden Schubdüsenbereich.

Mit Hilfe der Schrauben- oder Nietverbindungen 8 werden gleichzeitig Stabilisierungsflügel 10 befestigt, so daß ein überaus steifer Festigkeitsverband entsteht.

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 entgegengewirkt wird bzw. letztere werden im wesentlichen kompensiert.

Die Verbindung des Ringgehäuses 3 und der Stabilisierungsflügel 10 erfolgt hier z. B. durch Schweißen.

Wie aus Fig. 3 hervorgeht, ist die vordere, radial äußere Ringwand 14 konvex, also nach vorne hin gewölbt ausgebildet.

Die vorne keilförmige Gestaltung des Ringgehäuses 3 erlaubt eine zusätzliche Unterbringung von Treibstoffmasse im Bereich 12 um diesen Ringkeil 4,5 bzw. 14,5 herum.

Die vordere, radial äußere Ringwand 4 bzw. 14 sowie die hintere, radial innere Ringwand 9 sind jeweils mit einer Wärmeisolationsschicht 13 versehen.

Claims (5)

1. Schubdüse für Feststoff-Raketentriebwerke, welche innerhalb der Triebwerksstruktur angeordnet ist, welche als hohles, in Triebswerkslängsrichtung gestrecktes Ringgehäuse ausgebildet ist, dessen Wandstruktur im Längsschnitt ähnlich einem Vieleck ausgeführt ist, wobei die radial inneren Wandabschnitte die konvergent-divergente Schubdüsenkontur bilden, und wobei ein radial äußerer Wandabschnitt mit der Triebwerksstruktur verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstruktur des Ringgehäuses (3) im Längsschnitt etwa ein schiefwinkeliges Viereck bildet, daß die beiden vorderen Ringwände (4, 5) kürzer ausgeführt sind als die beiden hinteren (7, 9), wobei die vordere, radial äußere Ringwand (4) und die vordere, radial innere Ringwand (5) zusammen keilförmig in die Brennkammer hineinragen, daß die innere Ringwand (5) zur Anordnung eines die Kontur des Düsenhalses bildenden, thermisch widerstandsfähigen, massiven Ringes (6) dient, und daß die hintere, radial äußere Ringwand (7) parallel zur Triebwerksstruktur (1) verläuft, konzentrisch in diese eingepaßt und lösbar oder unlösbar damit verbunden ist.

2. Schubdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ringgehäuse (3) aus zwei etwa gleich großen Bauteilen zusammengesetzt ist, aus einem radial äußeren Bauteil, das aus der vorderen, radial äußeren Ringwand (4) sowie aus der hinteren, radial äußeren Ringwand (7) besteht, und aus einem radial inneren Bauteil, das aus der vorderen radial inneren Ringwand (5) sowie aus der hinteren, radial inneren Ringwand (9) besteht.

3. Schubdüse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vordere, radial äußere Ringwand (14) konvex gewölbt ausgebildet ist (Fig. 3).

4. Schubdüse nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die vordere, radial äußere Ringwand (4, 14 ) und die hintere, radial innere Ringwand (9) mit einer Wärmeisolierschicht (13) versehen sind.

5. Schubdüse nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenraum (11) des Ringgehäuses (3) unter Überdruck steht.