DE3819297C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Feststofftreibsatz mit einer länglichen festen Treibmittelmasse mit einem Paar von End­ abschnitten sowie mit Wandeinrichtungen, die sich in der festen Treibmittelmasse in deren Längsrichtung erstrecken und dabei einen Hohlraum begrenzen, der sich in Längsrichtung in der festen Treibmittelmasse erstreckt. Solche Treibsätze sind aus der DE-AS 19 15 878 und den Druckschriften US 29 57 309, US 36 09 977 und US 38 88 079 bekannt.

Es ist oftmals erwünscht, den Massendurchsatz des festen Treib­ mittels in einem Raketenmotor beispielsweise so zu variieren, daß man einen Beschleunigungsbetrieb mit hohem Druck und hoher Beschleunigung, gefolgt von einem Marschbetrieb mit niedrigem Druck, bekommt. Ein Raketenmotor mit variablem Massendurchsatz kann erhalten werden, indem man die Treibsatzgestaltung vari­ iert. Beispielsweise kann der hintere Bereich eines Treibsatzes für den Beschleunigungsbetrieb sternförmig mit axialen Löchern versehen werden, um eine große Treibmittelbrennoberfläche zu bekommen, in welcher das Treibmittel radial sowie axial ab­ brennt. Der Vorderabschnitt des Treibsatzes wird für den Marschbetrieb nicht mit Löchern versehen, so daß daß Treibmittel nur in axialer Richtung des Treibsatzes abbrennt.

Ein variabler Massendurchsatz kann auch durch einen pulsierenden Raketenmotor erhalten werden, wie er in der US 38 88 079 beschrieben ist. Ein solcher Raketenmotor hat wenigstens zwei koaxiale Brennkammern, wobei eine hinter der anderen angeordnet ist und der Treibsatz der vorderen Brennkammer für den Beschleunigugsbetrieb und der Treibsatz der hinteren Brenn­ kammer für den Marschbetrieb gestaltet ist. Solche pulsieren­ den Motoren sind für viele Anwendungen nicht geeignet, wie in Antrieben für das Aufrichten von Geschoßhülsen, worin eine billige und unkomplizierte, dennoch aber zuverlässige Treibsatz­ gestaltung erwünscht ist.

Es gibt auch Anforderungen an Feststofftreibsätze, bei denen es erwünscht ist, am Anfang des Marschbetriebs mit niedrigem Massendurchsatz, gefolgt von dem Beschleunigungsbetrieb mit höherem Massendurchsatz zu bekommen. Zusätzlich kann es er­ wünscht sein, dem Beschleunigungsbetrieb einen weiteren Marsch­ betrieb folgen zu lassen. Beispielsweise in einem Geschoßhülsen- Aufrichtungsantrieb ist der erforderliche Druck, um die Hülse in der vertikalen Stellung zu halten, relativ gering im Vergleich mit dem für den Abschuß erforderlichen Druck. So ist es erfor­ derlich, den Antrieb in einer sehr kurzen Zeit derart weiter unter Druck zu setzen, daß er den während des Abschusses auftretenden hohen Kräften widerstehen kann und nicht zusammen­ fällt. Nachdem dieser höhere Druck in dem Antrieb aufgebaut wurde, kann es dann erwünscht sein, jenen Druck für die Zeitdau­ er, während welcher das Geschoß abgeschossen werden kann, aufrechtzuerhalten. So kann es als erwünscht angesehen werden, daß ein solcher Treibsatz Endabschnitte hat, die eine kleine Brennoberfläche für den Marschbetrieb haben, und einen Mittelab­ schnitt besitzt, der eine große Brennoberfläche für den Beschleunigungsbetrieb hat.

Die Verwendung von Verbrennungsbarrieren, die an den Treibsatz gebunden sind, wie in der US 34 27 805 beschrieben ist, liefert ein Mittel, um selektiv die Brenngeschwindigkeit zu reduzieren, wo dies erwünscht ist, doch ergibt dies kein ausreichendes Mittel, um einen relativ langsam brennenden Treibsatzabschnitt am Hinterende, gefolgt von einem schneller brennenden Treibsatz­ abschnitt zu ergeben.

Während des Abbrennens eines Endbrennertreibsatzabschnittes werden Gase erzeugt, die Drücke verursachen, die auf den Treibsatz einwirken. Feststofftreibsätze bestehen typischerweise aus einem Elastomermaterial mit niedrigem Elastizitätsmodul, das dazu neigt, unter solchen Drücken zu brechen oder einzustürzen. Ein solches Brechen kann zu so viel zusätzlicher Brennoberfläche führen, daß in unerwünschter Weise eine Detonation auftreten kann.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe bestand somit darin, einen Feststofftreibsatz zu bekommen, der so abbrennt, daß man einen Marschbetrieb mit relativ geringem Massendurchsatz, gefolgt von einem Beschleunigungsbetrieb mit einem höheren Massendurchsatz bekommt, ohne daß der Treibsatz unter dem Druck während des Marschbetriebes bricht.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist der erfindungsgemäße Feststoff­ treibsatz mit den eingangs genannten Merkmalen dadurch gekenn­ zeichnet, daß sich der Hohlraum nur über einen Teil der Länge der festen Treibmittelmasse und in wenigstens einen der End­ abschnitte derselben nicht erstreckt und daß in dem Hohlraum ein die feste Treibmittelmasse unterstützender Stopfen angeordnet ist, der einen Spalt zwischen dem Stopfen und den Wandeinrich­ tungen über wenigstens einen Teil seiner Länge bildet und so eine sich in Längsrichtung erstreckende Flammenfortpflanzungs- Oberfläche in der Treibmittelmasse ergibt.

Der Spalt hat zweckmäßig eine Breite zwischen 0,25 und 0,75 mm.

In der Zeichnung bedeuten

Fig. 1 eine Endansicht eines Gasgenerators mit einem Treibsatz nach der Erfindung,

Fig. 2 einen Längsschnitt des Gasgenerators der Fig. 1 entlang deren Linie 3-3,

Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung des Abschnittes 4-4 von Fig. 2 und

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Abschnittes des Treibsatzes von Fig. 2, die das Bild des Voranschrei­ tens der Flamme erläutert.

Der Gasgenerator 20 besitzt eine längliche, allgemein zylindri­ sche Kartusche 22 und enthält einen Feststofftreibsatz 26, der aus einer länglichen, im allgemeinen zylindrischen festen Treibmittelmasse 28 aufgebaut ist.

An die feste Treibmittelmasse 28 über deren Länge und an das Vorderende 30 der Kartusche 22 gebunden befindet sich eine Isoliereinrichtung 32, die aus irgendeinem Material bestehen kann, welches eine geeignete Isolierung ergibt. In dieser Beschreibung und den Ansprüchen bedeutet der Ausdruck "Hinter­ ende" das Ende des Treibsatzes, das für die Zündung geeignet ist, und das "Vorderende" bedeutet das andere Ende des Treib­ satzes.

Aus Gründen einer einfacheren Erläuterung wird der Treibsatz 26 in einen Hinterabschnitt 34, einen Mittelabschnitt 36 und einen Vorderabschnitt 38 unterteilt. Das Abbrennen des Treibsatzes 26 beginnt an dem Hinterabschnitt 34 und endet an dem Vorder­ abschnitt 38, und ein geeigneter Zünder (nicht gezeigt) ist so angeordnet, daß er das Abbrennen des Hinterabschnittes 34 zündet.

Um eine typische Geschoßhülse in ihre Abschußposition aufzu­ richten, kann ein Druck im Bereich von 200 bis 40 bar aus der horizontalen in die vertikale Stellung erforderlich sein. Um einen solchen Druck zu erreichen, ist der Hinterabschnitt 34 vorzugsweise mit einem Loch 42 versehen, um die Zündung zu unterstützen und den speziell erwünschten Massendurchsatz für den Marschbetrieb zur Aufrichtung der Hülse zu erhalten.

Die Hülse muß während des Abschusses eines Geschosses daraus in ihrer Stellung gehalten werden, und während eines solchen Abschusses werden stark erhöhte Kräfte auf den Antrieb ausgeübt. Um ein Zusammenfallen des Antriebes während des Geschoßabschus­ ses zu verhindern, ist ein stark erhöhter Druck gegenüber dem Druck am Stoßende des Antriebs von ca. 200 bar erforderlich. Um einen solchen stark erhöhten Druck, d. h. einen Beschleunigungs­ betrieb gemäß der Erfindung zu erhalten, erstreckt sich ein Hohlraum 44, der vorzugsweise koaxial mit dem Treibsatz 26 verläuft, längs durch den Mittelabschnitt 36 der festen Treib­ mittelmasse 28, um Wandeinrichtungen 46 im Inneren des Treib­ satzes 26 zu ergeben, welche sich in Längsrichtung über die Länge des Mittelabschnittes 36 erstreckt und an dem hinteren Abschnitt 34 endet, wobei die Wandeinrichtungen 46 sich nicht in den hinteren Abschnitt 34 hinein erstrecken. Die Wandeinrichtun­ gen 46 bilden eine verborgene Flammenfortpflanzungs-Oberfläche 48 in der festen Treibmittelmasse 28, um, wie in Fig. 4 erläu­ tert ist, eine Fortpflanzung der Flamme in Richtungen axial zum Treibsatz 26 über die Länge des Mittelabschnittes 36 zu ergeben, was eine vergrößerte Brennoberfläche und daher einen stark erhöhten Druck für einen Beschleunigungsbetrieb ergibt.

Da der Hohlraum 44 sich im Inneren des Treibsatzes 26 befindet, könnten die während des anfänglichen Marschbetriebes auf die feste Treibmittelmasse 28 einwirkenden Kräfte ein Zusammenfallen der festen Treibmittelmasse 28 um den Hohlraum 44 herum ver­ ursachen, wenn die Wandeinrichtungen 46 nicht in geeigneter Weise unterstützt wären. Um ein solches Zusammenfallen der festen Treibmittelmasse 28 während des anfänglichen Marsch­ betriebes zu verhindern, erstreckt sich der Hohlraum 44 durch den vorderen Abschnitt 38 und ist ein Stopfen 50 als Stütze in den Hohlraum 44 eingesetzt. Obwohl der Stopfen 50 aus irgend­ einem geeigneten Material bestehen kann, welches die feste Treibmittelmasse 28 gegenüber Zusammenbrechen in geeigneter Weise stützt, ist es bevorzugt, daß er aus einem nicht brenn­ baren, inerten Material besteht.

Um eine wirksame Flammenfortpflanzung entlang der Wand 46 zu bekommen, ist, wie in Fig. 3 gezeigt, der Stopfen 50 so bemes­ sen, daß sich ein Spalt, der mit 52 bezeichnet ist, zwischen dem Stopfen 50 und den Wandeinrichtungen 46 ergibt, und der Stopfen 50 ist vorzugsweise in seiner Stellung fixiert, wie nachfolgend beschrieben ist, um den Spalt 52 um den Stopfen 50 herum beizubehalten. Während der Spalt 52 groß genug sei sollte, um eine wirksame Flammenfortpflanzung zu bekommen, sollte er auch klein genug sein, um zu verhindern, daß die feste Treibmittel­ masse 28 unerwünscht bricht, was zu unerwünscht hohen Drücken oder selbst zu einer Detonation während des Abbrennens des hinteren Abschnittes 34 führen könnte. Die Größe des Spaltes 52 kann je nach solchen Faktoren, wie der Art des Treibmittels, dem Temperaturbereich, der Treibsatzgestalt und den Anfangsdrücken, variieren und kann nach allgemeinen Prinzipien bestimmt werden, die dem Fachmann allgemein bekannt sind. Für das oben diskutier­ te Treibmittel und die in den Fig. 1, 2 und 3 gezeigte Gestalt und Größe des Treibsatzes liegt der Spalt 52 vorzugsweise im Bereich von 0,25 bis 0,75 mm, vorzugsweise bei etwa 0,50 mm.

Bei einigen Anwendungen der Erfindung, wie für einige Typen von Gasgeneratoren, ist ins Auge zu fassen, daß es erwünscht sein kann, den Beschleunigungsbetrieb während des gesamten Abbrennens des Treibsatzes 26 beizubehalten. Um solche Ergebnisse zu erzielen, kann der Spalt 52 so vorgesehen sein, daß er sich über die Länge des Mittel- und Vorderabschnittes 36 und 38 erstreckt. Bei anderen Anwendungen kann es, wenn der Beschleunigungsdruck einmal erreicht ist, erwünscht sein, diesen höheren Beschleuni­ gungsdruck während einer Zeitdauer beizubehalten. Beispielsweise kann es, wenn der Beschleunigungsdruck im Bereich von 200 bis 267 bar einmal erreicht ist, erwünscht sein, jenen Druck während einer Zeitdauer von ca. 30 bis 60 s beizubehalten, während welcher das Geschoß aus der Hülse abgeschossen werden kann. Um einen solchen Marschbetrieb zu erhalten, wird der Abschnitt des Stopfens 50 in dem vorderen Treibsatzabschnitt 38 so bemessen, daß man einen Spalt 54 von ca. 6 mm zwischen dem Stopfen 50 und den Wandeinrichtungen 46 bekommt, welche mit einem Isoliermate­ rial 56 gefüllt wird, das an die Wandeinrichtungen 46 durch ein mit 58 bezeichnetes Bindemittel gebunden wird, um als eine Behinderung entlang dem Abschnitt der Wandeinrichtungen 46 in dem vorderen Treibsatzabschnitt 38 zu wirken und so den vorderen Treibsatzabschnitt 38 in einen Endbrennerabschnitt mit geringe­ rem Massendurchsatz umzuwandeln. Das Isoliermaterial 56 kann auch zweckmäßig an den Stopfen 50 gebunden werden und kann aus dem gleichen Material wie die Isoliereinrichtung 32 oder aus einem anderen Material bestehen. Mit der Behinderungseinrichtung 56, das an die Wandeinrichtungen 46 in dem Vorderabschnitt 38 gebunden ist, kann die Flammenfront im vorderen Abschnitt 38 nicht mehr entlang der Wandeinrichtungen 46 voranschreiten, und demzufolge kann sich Flamme nicht radial nach außen fortpflan­ zen. So nimmt die Oberfläche, entlang welcher die Flammenfront fortschreitet, von der Mitte zu dem vorderen Abschnitt wesent­ lich ab, um einen Marschbetrieb zu ergeben. In Fig. 4 ist die Veränderung der Flammenfortpflanzung von dem Beschleunigungs­ betrieb mit schnellem Abbrennen im Mittelabschnitt 36, wo die Flammenfront radial auswärts sowie in Längsrichtung sich fortpflanzt und einen größeren Druck ergibt, zu dem Marsch­ betrieb mit langsamerem Abbrennen im vorderen Abschnitt 38, wo die Flammenfront sich in Längsrichtung, aber nicht wesentlich radial fortpflanzt und den Druckaufbau beibehält, welcher während des Beschleunigungsbetriebes erfolgt ist, erläutert.

Die Behinderungseinrichtung 56 wird in den Raum 54 eingegossen, nachdem der Stopfen 50 eingebaut wurde, und dann läßt man es aushärten und sich an die Wandeinrichtungen 46 und den Stopfen 50 binden. Um zu verhindern, daß die Behinderungseinrichtung 56 während des Eingießens und Härtens in den Spalt 52 gelangt, ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein kleiner Abschnitt 60 des Stopfens 50 am vorderen Ende des Mittelabschnittes 36 vorzugsweise so bemessen, wie am besten in Fig. 3 erläutert ist, daß er den gleichen Durchmesser wie die Wandeinrichtungen 46 hat und so eine Abdichtung bildet, die das Eindringen der Behinderungseinrichtung 56 in den Spalt 52 während seines Eingießens und Härtens verhindert und eine Gleichmäßigkeit des Spaltes 52 um den Stopfen 50 herum ergibt. Um weiter zu gewährleisten, daß die Behinderungseinrichtung 56 während ihres Eingießens und Härtens nicht in den Spalt 52 gelangt, wird ein kleiner Abschnitt Isoliermaterial, der mit 62 bezeichnet ist, mit einer Tiefe von vielleicht etwa 3 mm zuerst sorgfältig eingegossen, wonach man ihn aushärten läßt, wobei der Abschnitt 62 als eine Barriere dient, und der Rest der Behinde­ rungseinrichtung 56 wird dann eingegossen und ausgehärtet. Der Abschnitt 62 kann bei etwa 16 bis 38°C während 1 bis 2 h gehärtet werden, bevor der Rest de Behinderungseinrichtung 56 eingegossen wird, welches dann zwischen etwa 21 und 38°C während 48 bis 60 h ausgehärtet werden kann. Vor dem Eingießen der Behinderungseinrichtung 56 sollten die mit ihm zu ver­ bindenden Oberflächen während einer geeigneten Zeitdauer etwa bei 77 bis 93°C während 16 bis 24 h getrocknet werden, dann sollte ein geeignetes Bindematerial auf die zu verbindenden Oberflächen aufgebracht werden, worauf man an Luft während 15 bis 30 min trocknen und dann 1 bis 2 h bei etwa 82 bis 93°C härten läßt.

Um die Drücke zwischen dem vorderen und dem hinteren Ende des Treibsatzes 26 für einen Schutz desselben während des Abbrennens abzugleichen, sind mehrere in Fig. 1 mit 64 bezeichnete Aus­ gleichsbohrungen in dem Außenumfang des Isolators 32 vorgesehen und erstrecken sich in Längsrichtung über die gesamten Länge des Treibsatzes 26 und münden in das vordere und hintere Ende, um zwischen ihnen eine Druckverbindung zu ergeben. Während des Abbrennens des hinteren Abschnittes 34 ergeben die aufgebauten Drücke, einschließlich des gleichmäßigen Druckes um den Umfang des Treibsatzes 26 durch die Ausgleichsbohrungen 64 radial nach innen wirkende Kräfte auf die feste Treibmittelmasse 28, die bewirken, daß sich der Spalt 52 schließt. Wie oben festgestellt, sollte dieser Spalt 52 klein genug sein, daß ein Brechen des festen Treibmittels 28 nicht eintritt, wenn der Spalt 52 verschlossen wird. Der Stopfen 50 wirkt dann so, daß er die feste Treibmittelmasse 28 gegen ein Zusammenbrechen nach innen in den Hohlraum 44 und gegen ein Brechen abstützt.

Nachdem der hintere Abschnitt 34 des Treibsatzes abgebrannt ist und die Flammenfront sich zu dem Hohlraum 44 fortgepflanzt hat, gleichen sich der Druck, der auf die Wandeinrichtungen 46 einwirkt, und der Druck um den Treibsatz 26 herum und in den Ausgleichsbohrungen 64 aus, und der Spalt 52 ist demzufolge offen genug, um eine große Brennoberfläche entlang den Wand­ einrichtungen 46 für eine Fortpflanzung der Flammenfront in einer Richtung radial bezüglich des mittleren Treibsatzabschnit­ tes 36 für eine schnellere Gasentwicklung in dem Beschleuni­ gungsbetrieb zu ergeben.

Nachdem ein Geschoß abgeschossen wurde, kann es erwünscht sein, daß die auseinanderziehbaren Antriebsteile sich zusammenschie­ ben, um die Hülse in die horizontale Stellung zurückzubringen. Wenn, nachdem das Treibmittel abgebrannt ist, Trümmer auf den Boden des Antriebes fallen, können diese eine unerwünschte Bindung während des Zusammenschiebens der auseinanderziehbaren Teile bewirken. Um das Auftreten eines solchen Bindens oder Festklemmens zu verhindern, werden gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zwei oder mehr starre röhrenförmi­ ge Stützteile 66 jeweils an entgegengesetzten Seiten des Treibsatzes 26 in Ausgleichsbohrungen 64 eingesetzt, wie in Fig. 1 erläutert ist, um sich über die Länge der Isoliereinrichtung 32 zu erstrecken und so ein Zusammenfallen zu verhindern, nachdem die feste Treibmittelmasse 28 abgebrannt ist. Außerdem wird ein Stopfen 68 von nicht brennbarem oder inertem Material, das gleich wie das Material, aus dem der Stopfen 50 besteht, oder von diesem verschieden sein kann, am Vorderende 30 des Treibsatzes 26 zwischen der Isoliereinrichtung 32 und der Behinderungseinrichtung 56 eingesetzt und an diese gebunden, um das Isoliermaterial für die Isoliereinrichtung 32 und die Behinderungseinrichtung 56 und den Stopfen 50 in ihrer Stellung zu halten, nachdem die feste Treibmittelmasse 28 abgebrannt wurde.

Nachdem die feste Treibmittelmasse 28 unter Verwendung eines Dorns oder von Dornen für die Hohlräume einschließlich des Hohlraumes 44 eingegossen wurde und nachdem man es nach Prinzi­ pien härten ließ, die dem Fachmann allgemein bekannt sind, werden die Stopfen 50 und 68 eingesetzt. Das Isoliermaterial für die Behinderungseinrichtung 56 wird dann eingegossen und ausgehärtet und bindet sich an die Wandeinrichtungen 46 und die Oberflächen der Stopfen 50 und 68, wie oben diskutiert wurde, dann wird die Isoliereinrichtung 32 um den Treibsatz herum gegossen und ausgehärtet, und die Stützteile 66 werden einge­ baut. Alternativ kann die Isoliereinrichtung 32 zunächst hergestellt und der Treibsatz 26 darin gegossen werden. Wenn fertig für die Verwendung, kann die resultierende Kartusche 22 zweckmäßig in ein geeignet bemessenes Gehäuse 24 eines Antriebs eingesetzt werden. Nach der Verwendung kann die Kartusche 22 dann durch eine andere Kartusche ersetzt werden.

Claims (6)

1. Feststofftreibsatz für einen Raketenmotor mit einer läng­ lichen festen Treibmittelmasse mit einem Paar von End­ abschnitten sowie mit Wandeinrichtungen, die sich in der festen Treibmittelmasse in deren Längsrichtung erstrecken und dabei einen Hohlraum begrenzen, der sich in Längs­ richtung in der festen Treibmittelmasse erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Hohlraum (44) nur über einen Teil der Länge der Treibmittelmasse (28) und in wenigstens einen der Endabschnitte (34; 38) derselben nicht erstreckt und daß in dem Hohlraum (44) ein die feste Trebmittelmasse (28) unterstützender Stopfen (50) angeordnet ist, der einen Spalt (52) zwischen dem Stopfen (50) und den Wandeinrichtun­ gen (46) über wenigstens einen Teil seiner Länge bildet.

2. Feststofftreibsatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt (52) eine Breite zwischen 0,25 und 0,75 mm hat.

3. Feststofftreibsatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandeinrichtungen (46) sich in Längsrichtung der festen Treibmittelmasse (28) durch den Endabschnitt (38) der festen Treibmittelmasse (28) erstrecken, wobei der Hohlraum (44) sich durch den Endabschnitt (38) der festen Treib­ mittelmasse (28) erstreckt, und der Feststofftreibsatz außerdem eine Behinderungseinrichtung (56) auf den Wand­ einrichtungen (46) in dem Endabschnitt (38) aufweist.

4. Feststofftreibsatz nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Behinderungseinrichtung (56) aus einem Isoliermate­ rial besteht, das in dem Endabschnitt (38) zwischen den Wandeinrichtungen (46) und dem Stopfen (50) angeordnet ist und an die Wandeinrichtungen (46) gebunden ist.

5. Feststofftreibsatz nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stopfen (50) einen Stopfenabschnitt (60) aufweist, der zwischen dem den Spalt (52) bildenden Abschnitt des Stopfens (50) und dem Stopfenabschnitt (60) in dem End­ abschnitt (38) der festen Treibmittelmasse (28) angeordnet ist und so bemessen ist, daß er dichtend an den Wandeinrich­ tungen (46) anliegt.

6. Feststofftreibsatz nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß er eine zusätzliche Isoliereinrichtung (32), die die feste Treibmittelmasse (28) über seine Länge umgibt, und einen Stopfen (68), der zwischen der Isoliereinrichtung (32) und der Behinderungseinrichtung (56) in dem Endabschnitt (38) angeordnet und an diese gebunden ist, aufweist.