DE4132415C1 - Ablate layer for combustion chamber walls of rocket propulsion appts. - comprises silicone resin with phenyl gp(s) as matrix, high melting filler and alkaline earth carbonate - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ablationsschicht an der Brennkammerwand eines Raketentriebwerkes nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Je nach dem Heizwert des verwendeten Brennstoffes können bei Staustrahltriebwerken in der Brennkammer Verbrennungstemperaturen von örtlich 1700 K und mehr erreicht werden. Die metallischen Brennkammerwände müssen daher von den heißen, sauerstoffreichen Verbrennungsgasen durch eine Ablationsschicht geschützt werden.

Für die Ablationsschicht hat sich ein Phenylgruppen aufweisendes Silikonharz bewährt. Das Silikonharz erfährt unter der thermischen Belastung einen mehrphasigen Umwandlungsprozeß, wobei endotherme Reaktionen, wie Gasbildung, Schmelze und Pyrolyse auftreten, die einen Kühleffekt bewirken. Dieser Prozeß hält an, bis die Ablationsschicht völlig durchpyrolysiert ist, die durchpyrolysierte, verkohlte Ablationsschicht gewährt dann einen weiteren zeitlich begrenzten Wärmeschutz der Brennkammerwand. Um einen möglichst großen Anteil an derart pyrolysiertem, verkohltem Ablationsmaterial zu erhalten, weist das Siliconharz einen möglichst großen Anteil an Phenylgruppen auf.

Die aus dem Silikonharz durch Reaktion mit den Verbrennungsgasen entstandene pyrolysierte Ablationsschicht besitzt eine poröse Struktur und neigt zur Rißbildung, wobei die Risse Inseln bilden können.

Die Brennkammer von Staustrahltriebwerken wird von den Verbrennungsgasen mit hoher Geschwindigkeit durchströmt. Hochenergetische Brennstoffe enthalten einen hohen Anteil an Reagenzien mit hohem Heizwert. Das Brenngas enthält daher einen hohen Anteil von Partikeln dieser Reagenzien, die eine stark abrasive Wirkung ausüben. Darüber hinaus ist die pyrolysierte Ablationsschicht den hochfrequenten Druckschwingungen ausgesetzt, die in einem Staustrahltriebwerk beim Verbrennungsprozeß auftreten. Die durch die Risse gebildeten Inseln in der pyrolysierten Ablationsschicht besitzen daher eine große Neigung herauszubrechen. Dadurch wird die Ablationsschicht jedoch partiell zerstört und die Brennkammerwand auf das äußerste gefährdet.

Alle Ablationsmaterialien auf Silikonharzbasis sind mit einem hohen Anteil von Füllstoffen versehen. Die Füllstoffe sind meist Metalloxide unterschiedlicher Korngröße. Metalloxidfasern werden ebenso mit unterschiedlichen Faserlängen eingesetzt. Die Rißbildung in der verkohlten, pyrolysierten Ablationsschicht kann jedoch damit nicht unterbunden werden.

Um eine Herausbrechen von Teilen der pyrolisierten Ablationsschicht zu verhindern, ist es aus DE 31 20 902 C1 bekannt, in der Ablationsschicht einen wellenförmig gebogenen Draht und ein Netz aus hochwarmfesten Faserstoffen vorzusehen, wobei der Draht mit der Brennkammerwand verlötet wird. Da diese Lötstellen leicht aufgehen, wird nach DE 32 47 414 C2 vorgeschlagen, die Ablationsschicht mit einer Drahtgewebe-Matte zu durchsetzen, die durch thermisches Spritzen mit der Brennkammerwand verbunden wird. Ein solches Drahtgewebe hält jedoch der hohen Temperatur der Verbrennungsgase hochenergetischer Treibstoffe nicht lange genug stand, so daß nach wie vor Teile der Ablationsschicht herausbrechen können.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Ablationsschicht für die Brennkammerwand eines Raketentriebwerkes bereitzustellen, mit der die Rißbildung nach der Pyrolyse soweit reduziert wird, daß eine Gefährdung der Brennkammerwand durch Herausbrechen von Teilen der pyrolysierten Ablationsschicht verhindert ist.

Dies läßt sich überraschenderweise mit der im Anspruch 1 gekennzeichneten Ablationsschicht erreichen, d. h. wenn die Ablationsschicht neben dem hochschmelzenden Füllstoff zusätzlich ein Erdalkalicarbonat, insbesondere Magnesiumcarbonat, zugesetzt wird.

Erdalkalicarbonate schmelzen unter CO₂-Abspaltung bei relativ niedriger Temperatur. So liegt die Zersetzungstemperatur von Magnesiumcarbonat beispielsweise bei 350°C. Die Schmelzpunkte der übrigen, also der hochschmelzenden Füllstoffe der erfindungsgemäßen Ablationsschicht liegen deutlich darüber. Das heißt, bei Einwirkung der heißen Verbrennungsgase schmilzt und zersetzt sich das Erdalkalicarbonat zu dem entsprechenden Erdalkalioxid, während die hochschmelzenden Füllstoffe, wie Aluminiumoxid, Siliciumoxid, Magnesiumoxid oder Thoriumoxid, sich unter Einwirkung der heißen Verbrennungsgase inert verhalten. Bei Verwendung von Magnesiumcarbonat wird also bei Einwirkung der heißen Verbrennungsgase zunächst eine Magnesiumcarbonat-Schmelze gebildet und dann nach CO₂- Abspaltung eine Magnesiumoxid-Keramik, die die inerten Füllstoff-Teilchen miteinander verbindet und vernetzt. Durch diese Vernetzung der inerten Füllstoffteilchen wird eine zusammenhängende Struktur in der Ablationsschicht geschaffen, die die pyrolysierte Ablationsschicht so fest zusammenhält, daß eine Rißbildung und damit ein Herausbrechen von Teilen der pyrolysierten Ablationsschicht verhindert ist.

Die erfindungsgemäße Ablationsschicht führt daher bereits in sehr geringer Schichtdicke zu einem zuverlässigen Schutz der Brennkammerwand, und zwar auch bei hochenergetischen Feststofftreibstoffen mit festen abrasiven Komponenten, wie Bor oder Aluminium, im Verbrennungsgas und bei hohen Temperaturen von 1700 K und mehr in der Brennkammer.

Als Phenylgruppen aufweisendes Silikonharz wird vorzugsweise Phenylmethylsilicon verwendet. Das heißt ein Silicon, das neben Phenylgruppen Methylgruppen enthält. Der Phenylgruppenanteil sollte dabei möglichst groß sein, um durch Pyrolyse eine rißarme Kohleschicht zu erhalten.

Durch die Abspaltung von CO₂ bei der Zersetzung des Erdalkalicarbonats während des Verbrennungsprozesses wird zugleich ein zusätzlicher Kühleffekt erzeugt.

Die Menge des Erdalkalicarbonats beträgt 1 bis 20 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der Ablationsschicht, vorzugsweise 2 bis 8 Gew.-%, insbesondere etwa 5 Gew.-%.

Der hochschmelzende Füllstoff weist einen so hohen Schmelzpunkt auf, daß er unter Einwirkung der Verbrennungsgase nicht, jedenfalls nicht im nennenswerten Umfang schmilzt, d. h., sein Schmelzpunkt liegt deutlich höher als der Schmelzpunkt bzw. Zersetzungspunkt des Erdalkalicarbonats. Der hochschmelzende, inerte Füllstoff besteht vorzugsweise wenigstens zum Teil aus Kurzfasern, da Kurzfasern die Festigkeit wesentlich stärker erhöhen als pulverförmige Füllstoffe. Auch wird bei Verwendung von Kurzfasern eine bessere Vernetzung des Füllstoffes durch die erfindungsgemäß gebildete Erdalkalioxid-Keramik erreicht.

Als Kurzfasern werden vor allem Aluminiumoxid-Fasern eingesetzt, ferner Siliciumoxid-Fasern, aber auch Zirkoniumoxid- oder Magnesiumoxid-Fasern. Ferner hat sich der Zusatz von Kohlenstoffasern als geeignet erwiesen. Der Faseranteil der Ablationsschicht beträgt insgesamt vorzugsweise 10 bis 40 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der Ablationsschicht, insbesondere 20 bis 30 Gew.-%. Die Kohlefasern, die neben den anorganischen Metalloxid- Fasern vorzugsweise zugesetzt werden, weisen einen Anteil von vorzugsweise 5 bis 20 Gew.-%, bezogen auf den Gesamtfaseranteil, auf.

Wenn die Kurzfasern in das flüssige Siliconharz eingemischt werden, wird die Viskosität deutlich erhöht. Der maximale Anteil der Kurzfasern ist daher erreicht, wenn die Viskosität des Siliconharzes so groß geworden ist, daß keine homogene Verteilung der Kurzfasern in dem Siliconharz mehr erzielt werden kann.

Hinzu kommt, daß die Kurzfasern zerbrechen, wenn sie beim Mischen zu hohen Kräften längere Zeit ausgesetzt werden. Das heißt, ein langer Mischvorgang bei relativ hoher Viskosität führt zu einer Zerkleinerung und damit zu einer Verschlechterung der Funktion der Kurzfasern in der Ablationsschicht. Die Kurzfasern werden vorzugsweise mit einer Länge von 2 bis 6 mm dem flüssigen Siliconharz zugesetzt.

Bei Zugabe von pulverförmigen Stoffen wird demgegenüber die Viskosität des Siliconharzes wesentlich weniger erhöht. Demgemäß besteht erfindungsgemäß der hochschmelzende Füllstoff vorzugsweise neben den Kurzfasern aus pulverförmigen Materialien, und zwar beträgt das Gewichtsverhältnis der Kurzfasern zu dem pulverförmigen Füllstoff vorzugsweise 0,05 bis 2, insbesondere 0,5 bis 1,5.

Der pulverförmige Füllstoff kann aus den gleichen hochschmelzenden Metalloxiden bestehen wie die Kurzfasern, also insbesondere Aluminiumoxid (Al₂O₃), Siliciumoxid (SiO₂), Magnesiumoxid (MgO) oder Zirkonoxid (ZrO₂). Die mittlere Teilchengröße des pulverförmigen Füllstoffes beträgt vorzugsweise 10 bis 500 µm, insbesondere 20 bis 200 µm. Das erfindungsgemäß zugesetzte Erdalkalicarbonat weist ebenfalls vorzugsweise eine mittlere Teilchengröße von 10 bis 500, insbesondere 20 bis 200 µm auf.

Der Anteil des Siliconharzes der erfindungsgemäßen Ablationsschicht beträgt vorzugsweise 30 bis 60, insbesondere 40 bis 50 Gew.-%.

Das nachstehende Beispiel dient der weiteren Erläuterung der Erfindung.

Zur Herstellung einer Ablationsschicht wird eine Masse hergestellt aus

circa 4000 g Phenylmethylsilikonharz
circa 2200 g Al₂O₃-Faser
circa 1000 g SiO₂-Faser
circa  300 g C-Faser
circa 1000 g Al₂O₃-Pulver
circa 1000 g SiO₂-Pulver
circa  500 g MgCO₃-Pulver

circa 10 kg.

Die Faserbestandteile weisen jeweils eine Länge von circa 3 mm auf, und die pulverförmigen Bestandteile eine mittlere Teilchengröße von circa 100 µm.

Von dem flüssigen Siliconharz wurden 3 kg vorgelegt, und unter Rühren wurden portionsweise zunächst die pulverförmigen Bestandteile (Magnesiumcarbonat-, Aluminiumoxid- und Siliciumoxid-Pulver) zugesetzt und dann unter schonendem Rühren die Faser-Bestandteile zugegeben. Die erhaltene hochviskose Masse wird dann mit dem restlichen flüssigen Siliconharz (1 kg) versetzt.

Von der so erhaltenen Masse wird ein entsprechender Anteil entnommen, mit Härter versetzt und dann beispielsweise durch Einstreichen, Einschleudern oder dergleichen auf die vorher gereinigte und mit einem Haftvermittler versehene Innenseite der Brennkammerwand eines Feststoffraketentriebwerkes aufgebracht.

Claims (4)

1. Ablationsschicht an der Brennkammerwand eines Raketentriebwerkes aus einem Phenylgruppen aufweisenden Siliconharz als Matrix und zumindest 30 Gew.-% aus einem hochschmelzenden Füllstoff, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablationsschicht zusätzlich 1 bis 20 Gew.-% eines Erdalkalicarbonats enthält.

2. Ablationsschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des hochschmelzenden Füllstoffs 40 bis 70 Gew.-% beträgt.

3. Ablationsschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des Erdalkalicarbonats 2 bis 8 Gew.-% beträgt.

4. Ablationsschicht nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Erdalkalicarbonat Magnesiumcarbonat ist.