DE3913561C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine tragende Struktur für Luft- oder Raumfahrzeuge
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei Fluggeräten, die im Überschallbereich oder im Hyperschallbereich fliegen,
wie z.B. wiedereintrittsfähige Raumgleiter, treten hohe Erwärmungen der
Außenhaut (bis ≈700°C) auf. Die Wärmeausdehnung führt zu unerwünschten
Deformationen, die nur mit hohem konstruktiven Aufwand - wenn überhaupt -
gelöst werden können; eine Unterdrückung der Wärmeausdehnung bewirkt
Thermalspannungen, die konstruktiv beherrschbar sind. Als Schutz gegen
eine Überhitzung werden bisher ablative, abschmelzende Strukturen (Gemini,
Apollo) oder vorgesetzte einzelne keramische Fliesen (Space-Shuttle) eingesetzt.
Ablative Strukturen kommen für ein wiederverwendbares System nur
sehr bedingt in Betracht. Fliesen haben den Nachteil eines hohen Gewichtes.
Sie bilden zudem keine tragende Schale, da sie mit Dehnfugen verlegt sind.
Aus der US-PS 43 44 591 sind leichte, metallische Fliesen bekannt, die
ebenfalls nicht mittragen.
Aus der US-PS 47 06 912 ist eine tragende Struktur eines Luft- oder Raumfahrzeugs
bekannt, die aus einer äußeren Schicht aus einem keramikfaserverstärkten
Kunststoff und einer inneren Schicht aus kohlefaserverstärktem
Kunststoff besteht. Beim Wiedereintritt des Fluggeräts in die Atmosphäre
schmilzt ein Teil der äußeren Schicht, was die Zahl der Einsätze stark reduziert.
Dieser Gegenstand bildet den Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Struktur vorzuschlagen,
die den auftretenden
Temperaturdifferenzen standhält, wozu erschwerend hinzu
kommt, daß im Inneren des Flugzeugs eventuell auch tief
gekühlte verflüssigte Gase (flüssiger Wasserstoff bei ca.
-260°) aufbewahrt werden muß.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst von einer tragen
den Struktur mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ausführungen
der Erfindung sind Gegenstände von Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß wird vom bisherigen Konzept, das eine tra
gende Struktur und aufgesetzte Bauelemente zur Isolation
vorsieht, abgegangen. Die Struktur wird erfindungsgemäß
auch als Hitzeschild verwendet, was dadurch gelingt, daß
Materialien mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten
nahe 0 eingesetzt werden. Dadurch werden Dehnfugen oder
ähnliche Konstruktionen, die eine Längenänderung eines
Bauteils gegenüber den anderen Bauteilen ermöglichen,
überflüssig.
Die erfindungsgemäße Struktur besteht aus mehreren Schich
ten, wobei die äußere Schicht bevorzugt eine keramische,
glasförmige, metallische oder polymere Bettungsmasse auf
weist. Die inneren Schichten bestehen aus faserverstärkten
Kunststoffen, aus eigenverstärkten Kunststoffen, aus Flüs
sigkristallpolymeren oder polymeren Materialien, deren
Glasübergangstemperatur unter 0°C liegt und die ihre mecha
nische Tragfähigkeit durch eine Abkühlung unterhalb der
Glasübergangstemperatur erhalten haben. Allen verwendeten
Schichten ist gemeinsam, daß die thermischen Ausdehnungs
koeffizienten der Einzelschichten durch Materialauswahl
und Faserauswahl auf Werte nahe 0, speziell auf Werte
<0,5×10-6 1/K betragen.
In einer Ausführungsform werden eine oder mehrere Isola
tionsschichten zwischen die einzelnen faserverstärkten
Schichten eingebettet. Diese Ausführung ist insbesondere
dann günstig, wenn an der Innenwand der tragenden Struktur
ein tiefsiedendes verflüssigtes Gas, wie flüssiger Wasser
stoff, lagert.
Als Isolationsschicht können die üblichen Isoliermateria
lien Verwendung finden, es kann aber auch vorgesehen sein,
daß Luftpolster die isolierenden Schichten bilden.
Eine Möglichkeit der Realisierung ist die Kombination von
Faser- (Borfasern, Glasfasern, Aramidfasern, SIC-Fasern,
Al2O3-Fasern oder Polyethylenfasern) und Matrixwerk
stoffen mit positivem und mit negativem thermischen Aus
dehnungskoeffizienten. Die Fasern sind fest in der Matrix
eingelegt, so daß sowohl eine Wärmeausdehnung als auch ein
Schrumpfen im jeweiligen Temperaturbereich durch die Fasern
verhindert wird. Das heißt, die Fasern werden auf Zug oder
Druck beansprucht und nehmen hierdurch auch die temperatur
bedingten Spannungen auf. Werden die unterschiedlichen
Fasertypen, die teils negative, teils positive Ausdehnungs
koeffizienten haben, in entsprechender Dicke, Menge und
Winkelstellung angeordnet, so wird eine Nettoausdehnung
von <0,5×10-6 1/K erreicht.
Durch die unterschiedlichen Winkelanordnungen, bei ebenen
Platten z.B. 0°±20°, ±45°±20°, oder 90°±15°, kann eine be
sonders günstige Aufhebung von Druck- und Zuganteilen
erreicht werden.
Die Schichtdicke des jeweiligen Werkstoffsystems ist je
nach Anforderungsprofil unterschiedlich ausführbar.
In einer Ausführungsform können metallische Zwischenschich
ten oder metallische Beschichtungen vorgesehen sein, die den
Stoffdurchgang nochmals verringern.
Die Erfindung wird anhand einer Figur näher erläutert.
Die Figur zeigt eine Ausführung einer tragenden Struktur
bestehend aus den Schichten 1, 2 und 3. Schicht 1 befindet
sich an der Außenseite, Schicht 3 an der Innenseite des
Flugkörpers. Zwischen den Schichten 1 und 2 ist eine Hitze
isolierung angebracht. Zwischen Schicht 2 und Schicht 3 be
findet sich in dieser Ausführung eine Kryoisolierung.
Auf der rechten Seite der Fig. 1 sind die Temperatur
bereiche angegeben, die während des Betriebes von den ein
zelnen Schichten auszuhalten sind. Die bei Schicht 1 auf
tretenden Temperaturen schwanken zwischen -50°C und ungefähr
+700°C. Schicht 2 muß Temperaturen zwischen -100°C und
+250°C aushalten, Schicht 3 ist für den Temperaturbereich
von -260°C bis Raumtemperatur ausgebildet.
Matrix aus keramischen Werkstoffen wie z.B. Kohlenstoff,
Siliziumkarbid, aus Glaswerkstoffen, aus metallischen Werk
stoffen wie z.B. Titan, Aluminium bzw. aus polymeren Duro
plast- oder Thermoplastwerkstoffen; Verstärkungsfasern aus
Kohlenstoff, keramischen Werkstoffen wie z.B. SiC oder
Al2O3, Glas, organischen Materialien wie z.B. Aramid, Bor.
Matrix aus duroplastischen oder thermoplastischen Polymer
werkstoffen, verstärkt durch Fasern aus Kohlenstoff, kera
mischen Werkstoffen wie z.B. SiC, Al2O3, Glas, organischen
Materialien wie z.B. Aramid oder Polyethylen, Bor, bzw.
bestehend aus eigenverstärkten Materialien oder Flüssig
kristallpolymeren mit oder ohne Verstärkung durch die
oben genannten Faserwerkstoffe.
Matrix aus duroplastischen oder thermoplastischen Polymer
werkstoffen, verstärkt durch Fasern aus Kohlenstoff, kera
mischen Werkstoffen wie z.B. SiC, Al2O3, Glas, organischen
Materialien wie z.B. Aramid oder Polyethylen, Bor bzw. be
stehend aus eigenverstärkten Materialien oder Flüssig
kristallpolymeren mit oder ohne Verstärkung durch die oben
genannten Faserwerkstoffe mit einer Zwischenschicht aus
einer oder mehreren dünnen Folien aus metallischen Werk
stoffen oder mit einer metallischen Beschichtung mit einer
Oberfläche (zum kryogenen Treibstoff hin) aus thermo
plastischen oder elastomeren Werkstoffen.
Bestehend aus stabilen Werkstoffen wie Waben, Schäumen,
Aerogelen bzw. integral gefertigten Stützelementen aus
faserverstärkten Verbundwerkstoffen (Matrix bestehend aus
duroplastischen oder thermoplastischen Polymerwerkstoffen
verstärkt durch Fasern aus Kohlenstoff, keramischen Mate
rialien wie SiC, Al2O3, Glas, organischen Materialien
wie z.B. Aramid oder Polyethylen).
Claims (6)
1. Tragende Struktur eines Luft- oder Raumfahrzeugs, insbesondere eines
wiedereintrittsfähigen Raumgleiters für Fluggeschwindigkeiten im Überschall-
und Hyperschallbereich, mit
- - einer äußeren Struktur aus faserverstärktem Verbundwerkstoff mit keramischer, glasförmiger, metallischer oder polymerer Bettungsmasse,
- - einer inneren Schicht aus faserverstärkten Kunststoffen, aus eigenverstärkten Kunststoffen, Flüssigkristallpolymeren oder polymeren Materialien mit einer Glasübergangstemperatur unter 0°C, die ihre mechanische Tragfähigkeit durch Abkühlung unterhalb der Glasübergangstemperatur erhalten,
dadurch gekennzeichnet,
- - daß weitere innere Schichten vorgesehen sind,
- - daß die äußere Schicht den auftretenden Temperaturen standhält und
- - daß die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der einzelnen Schichten durch Materialauswahl und Faserauswahl kleiner 0,5 · 10-6 1/K, bevorzugt nahe 0 sind.
2. Struktur nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine
oder mehrere zwischengelagerte Isolationsschichten.
3. Struktur nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, gekennzeich
net durch die Kombination von Fasern und Matrixwerk
stoffen mit positiven und negativen thermischen Aus
dehnungskoeffizienten.
4. Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ge
kennzeichnet durch folgende Faseranordnungen:
0°±5°, 45±20°, 90±15°.
5. Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ge
kennzeichnet durch metallische Zwischenschichten oder
metallische Beschichtungen.
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