DE4103075A1

DE4103075A1 - Dichtungssystem bei der segmentenverbindung fuer den booster einer weltraumrakete

Info

Publication number: DE4103075A1
Application number: DE19914103075
Authority: DE
Inventors: Dusan Dr Ing Nendl
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-02-01
Filing date: 1991-02-01
Publication date: 1992-08-13

Description

Das derzeitige Dichtungssystem bei der Boostersegmentenver bindung bei Weltraumraketen, wie SPACE SHATTLE und ARIANE5, ist immer noch nicht zufriedenstellend gelöst. Konstruktiv ist die derzeitige Segmentenverbindung im wesentlichen durch zwei dichtende polymere O-Ringe gekennzeichnet, die in einer Clevic-Tang-Verbindung angebracht sind (Fig. 1).

Es gibt zwei Hauptschwächen dieses Systems, dadurch gekenn zeichnet, daß

1. es keine klare Trennung zwischen der Kraft übertragung und dem Dichtungssystem gibt;
2. das dynamische Verhalten der polymere O-Ringe nach herrstellungsbedingten Erwärmung und insbesondere nach längerer Lagerung noch nicht genügend gesichert ist.

Die Tatsache, daß es keine klare Trennung zwischen der Kraftübertragung und dem Dichtungssystem gibt, verursacht Probleme beim Spaltöffnen zwischen Tang und Clevis und dem Rückverformungsvermögen (Recovery) bzw. der Geschwindigkeit des Rückverfomungsvermögens (Recovery Rate) der O-Ringe, die dadurch gekennzeichnet sind, daß

- sich der Spalt zwischen dem Tang und Clevis wegen des inneren Druckes schneller öffnet als sich der O-Ring nachdehnen kann, d. h. der Recovery Rate ist zu klein;
- die dynamischen Schwingungen des Boosters zu einem zyk lischen Öffnen des Spaltes führen können; der Recovery Rate kann dabei auch zu klein sein, d. h. der O-Ring rückverformt sich nicht schnell genug;
- der O-Ring durch das zyklische Öffnen des Spaltes zwischen dem Tang und dem Clevis beschädigt werden kann.

Allgemein verursachen Polymeren als Dichtungsmaterial Pro bleme, die gekennzeichnet sind dadurch, daß

- der Recovery Rate nach längerer Lagerung (für Booster von ARIANE5 wird sie bis zu 6 Jahre verlangt) vollkommen un zureichend werden kann;
- der Temperatureinfluß auf sie sehr groß ist: bei niedrigen Temperaturen kann die Recovery vollig unzureichend sein.
- der Reibungskoeffizient sehr groß ist; er begünstigt den "Blow-by"-Effect, wenn der O-Ring nicht in der Nut an der strömabwärtsseite liegt.
- die Reibungskraft schwer zu bestimmen ist: die Haft reibung kann mehrmals höher als die Gleitreibung liegen, was den gefährlichen "Blow-by"-Effect begünstigt.

Daraus folgt, daß ein polymerer O-Ring für dynamische Beanspruchungen nur begingt geeignet ist. Bei einer sta tischen Beanspruchung, wo die Recovery und der Recovery Rate nicht gefragt sind, kann er jedoch sinnvoll verwendet werden.

Als Alternative zu polymeren O-Ringen bieten sich bei rich tiger Anwendung Metalldichtungen an, die dadurch gekenn zeichnet sind, daß sie:

- eine größere zulässige maximale Verpressung zulassen;
- sehr hohe und auch sehr niedrige Temperaturen vertragen (z. B.: +1200°C, -200°C);
- große Stabilität gegen Drucke aufweisen;
- hohe Dichtigkeit erreichen;
- sich wenig empfindlich bezüglich der chemischen Ein wirkungen zeigen.

Der wesentliche Unterschied zwischen dem derzeitigen Dich tungssystem der Boostersegmentenverbindung beim Weltraumra keten und dem erfindungsgemäßen Dichtungssystem ist dadurch gekennzeichnet, daß es eine klare Trennung zwischen der Kraftübertragung und dem Dichtungssystem gibt, die dadurch gekennzeichnet ist, daß
die Verformung der Segmentenverbindung durch den inneren Gasdruck nach der Zündung dem Boosters und während des Startes keinen Einfluß auf das Dichtungssystem und dadurch auf sein Dichtungsvermögen hat.

Ein weiteres charakteristisches Merkmal des erfindungsgemäßen Dichtungssystem liegt darin, daß
es keine Recovery und Recovery Rate des Dichtungs elementes verlagt.

Ein weiteres charakteristisches Merkmal der erfindungsgemäßen Dichtungssystem liegt darin, daß es möglich ist, auch nicht elastische Dichtungselemente, wie z. B. Metalldichtungen, zu verwenden. Elastische, wie z. B. polymere Dichtungselemente, werden nur statisch und nicht dynamisch beansprucht. Die dy namischen Probleme mit der ausreichenden Recovery Rate und dem "Blow-by"-Effect, die bei derzeitigen Dichtungssystemen vorhanden sind, entfallen vollkommen.

Das wesentliche konstruktive Merkmal des erfindungsgemäßen Dichtungssystem ist eine ringförmige Feder, auf derer Rändern je ein ringförmiger Stöpsel angebracht ist (Fig. 3 und Fig. 4). Die Stöpsel passen in die Nut auf dem oberen bzw. unteren Boostersegment und drücken auf die ringförmigen Abdichtungs elemente, wie z. B. metallische Delta-Ringdichtung oder sta tischer polymerer O-Ring. Durch der Montage der Boosterseg mente wird die ringförmige Feder soweit zusammengedrückt, daß die Presskraft auf die Dichtungselemente eine vollkommene Dichtheit des Dichtungssystems gewährleistet.

Fig. 2 zeigt eine mögliche erfindungsgemäße Lösung mit der schon vorhandenen Clevis-Tang-Verbindung (C/T-Verbindung) bei Boostersegmentverbindung von ARIAN5 im Maßstab 1:1. Die erfindungsgemäße Lösung hat den Vorteil, daß sie schon ausgereifte C/T-Verbindung für den Booster von ARIANE5 voll in sie eingegliedert werden kann.

Fig. 3 zeigt Details für mögliche erfindungsgemäße Abdich tungsarten mit einer metallischen Delta-Ring-Dichtung im Maßstab 2:1.

Fig. 4 zeigt eine mögliche erfindungsgemäße Lösung für einen polymeren O-Ring mit der bei ARIANE5-Booster vorhandene C/T- Verbindung.

Fig. 5 zeigt Detail für mögliche erfindungsgemäße Abdich tungsarten mit dem polymeren O-Ring im Maßstab 2:1. Im Falle eines polymeren O-Ringes ist die Beanspruchung jedoch nur statisch und nicht dynamisch.

Bei diesen erfindungsgemäßen Lösungen für die C/T-Verbindung beim Booster von ARIANE5 sind Bedingungen für eine klare Trennung zwischen der Kraftübertragung und dem Dichtungs system voll erfüllt.

Es sei noch hinzuweisen, daß die erfindungsgemäße Lösungen leichter sind als die derzeit vorhandene Lösung von C/T- Verbindung für ARIANE5-Booster.

Für eine metallische Delta-Ring-Dichtung mit vorhandener C/T- Verbindung beträgt das Differenzgewicht zwischen der der zeitigen und der erfindungsgemäßen Lösung für

Field joint:
G = 28.3 kg
Factory jonit:	G = 32.5 kg

Für einen polymeren O-Ring mit vorhandener C/T-Verbindung be trägt das Differenzgewicht zwischen der derzeitigen und der erfindungsgemäße Lösung für

Field joint:
G = 29.0 kg
Factory jonit:	G = 38.5 kg

Der Gesamtbooster mit 4 Field joints und 4 Factory joints ist somit mit der erfindungsgemäßen Lösung des Dichtungssystems für die Segmentenverbindung beim Booster von ARIANE5 leichter als das vorhandene Dichtungssystem und zwar

bei Delta-Ring um
G_ges = 243 kg
bei O-Ring um	G_ges = 270 kg

Es sei noch hervorzuheben, daß es nicht notwendig ist, die erfindungsgemäßen Lösungen des Dichtungssystem (Delta-Ring bzw. O-Ring, Ringfeder und ev. Ringstöpsel) im eingebauten Zustand zu überprüfen (Leak Test). Es ist vielmehr möglich, die Dichtigkeit des erfindungsgemäßen Dichtungssystems in einer separaten Prüfvorrichtung nachzuweisen, da seine Be standteile während des Einbaus nicht mehr so beschädigt wer den können, wie beim vorhandenen Lösungen des Dichtungssys tems.

Claims

1. Dichtungssystem bei der Segmentenverbindung für den Booster einer Weltraumrakete dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungskraft durch eine oder mehrere ringförmige Feder wirksam wird.

2. Dichtungssystem nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der ringförmigen Feder eine parabolische Form hat.

3. Dichtungssystem nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß auf Rändern jeder Feder ein ringförmiger Stöpsel angebracht ist.

4. Dichtungssystem nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß auf Rändern der Feder Stöpsel so angebracht sind, daß sie zwei oder mehrere Feder verbinden.

5. Dichtungssystem nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Stöpsel in die entsprechende Nut hineinpassen.

6. Dichtungssystem nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Stöpsel und Nutboden Dichtungselemente angebracht sind.

7. Dichtungssystem nach Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß Dichtungselemente aus Metall bestehen.

8. Dichtungssystem nach Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß Dichtungselemente aus metallischen Delta-Ring-Dichtungen bestehen.

9. Dichtungssystem nach Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß Dichtungselemente aus polymeren O-Ringen bestehen.

10. Dichtungssystem nach Anspruch 1 bis 9 dadurch gekenn zeichnet, daß es einer beliebigen mechanischen Verbindung zwischen den Boostersegmenten angepaßt ist.

11. Dichtungssystem nach Anspruch 1 bis 9 dadurch gekenn zeichnet, daß es einer Schraubenverbindung zwischen den Boostersegmenten angepaßt ist.

12. Dichtungssystem nach Anspruch 1 bis 9 dadurch gekenn zeichnet, daß es einer Clevis-Tang-Verbindung zwischen den Boostersegmenten angepaßt ist.