DE60025941T2

DE60025941T2 - Verfahren und vorrichtung zur minimalisierung der akustischen schwingungsübertragung auf eine nutzlast

Info

Publication number: DE60025941T2
Application number: DE60025941T
Authority: DE
Inventors: A. David Glendale OSTERBERG
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1999-11-11
Filing date: 2000-11-09
Publication date: 2006-08-24
Anticipated expiration: 2020-11-10
Also published as: CA2391217A1; JP2003513858A; WO2001034468A9; DE60025941D1; EP1227977A1; US6371412B1; EP1227977B1; WO2001034468A1; AU1478401A; JP4722362B2; ATE317352T1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Schwingungsisolation und insbesondere der Schwingungsisolation einer Nutzlast einer Rakete während des Stars. Die vorliegende Erfindung betrifft jedoch besonders die Reduktion von Schwingungen, welche durch akustische Wellen, welche während der Passage durch die Erdatmosphäre und insbesondere beim Durchbrechen der Schallmauer auf eine Nutzlast übertragen werden, oder von denjenigen verursacht werden, welche von der anfänglichen Zündung der Raketenmotoren auf dem Boden zurück reflektiert werden.
Eine Anzahl von Schwingungsisolationsvorrichtungen wurde zur Verwendung beim Reduzieren von Schwingungen vorgeschlagen, welche beim Start von einer Trägerrakete auf die Nutzlast übertragen werden. Eine sehr erfolgreiche Vorrichtung dieses Typs kann in US-A-5,947,240 gefunden werden, welche dem Zessionar der vorliegenden Erfindung übertragen ist.
Derartige Vorrichtungen konzentrieren sich auf die Reduktion mechanischer Schwingungen, welche von der Trägerrakete übertragen werden, welche durch die Atmosphäre hindurch von Raketenmotoren angetrieben wird. Wenige oder keine Anstrengungen wurden unternommen, um die Schwingungen zu reduzieren, welche aufgrund der Geschwindigkeit der Trägerrakete durch die Atmosphäre insbesondere um die Schallgeschwindigkeit herum auftreten, bei welcher sehr starke Schockwellen entstehen. Diese Schockwellen bewirken, dass der Schutzkegel um die Nutzlast herum mit beträchtlicher Kraft vibriert und dass diese Schwingungen durch die Luft in dem Schutzkegel auf die Nutzlast übertragen werden. Es wurde geschätzt, dass die akustischen Schwingungen auf dem Höhepunkt ungefähr eine Hälfte der gesamten Schwingungen erzeugen, welche auf die Nutzlast einwirken, und dementsprechend ist ein Bedarf für akustische Schwingungsisolatoren entstanden. Ein theoretisches Verfahren zur Modellierung und zur Optimierung einer Schwingungsisolationsvorrichtung kann bei Griffin S. F. et al. „Passive vibroacoustic isolation for payload containers", Journal of intelligent Material Systems and Structures, Jan. 1999, gefunden werden, man siehe jeweils den Oberbegriff der selbständigen Ansprüche 1, 9 und 12.
Die vorliegende Erfindung überwindet das Problem akustischer Schwingungen durch Bewirken einer Evakuierung der Luft, welche die Nutzlast umgibt, unter Verwendung einer Venturi-Düse vor oder während des Starts, so dass, wenn die Schwingungen von der Reise durch die Atmosphäre und von den Schockwellen, welche von der Schallmauer erzeugt werden, auftreten, das Medium zu ihrer Übertragung auf die Nutzlast verschwunden oder reduziert ist und die Nutzlast sie nicht empfängt.
1 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
3 ist eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Eine Rakete, welche eine Nutzlast trägt, wie beispielsweise einen Satelliten, ist gewöhnlich mit einem Schwingungsisolator aufgebaut, welcher zwischen dem Raketentriebwerk oder der Trägerrakete und der Nutzlast befestigt ist, um alle Schwingungen zu isolieren und zu minimieren, welche zwischen dem Triebwerk und der Nutzlast übertragen werden können. Isolatoren, wie beispielsweise derjenige, welcher von dem oben stehend beschriebenen Patent 5,947,240 gezeigt wird, haben sich beim Erfüllen dieser Aufgabe als sehr erfolgreich erwiesen. Der Schwingungsisolator weist jedoch wenig Wirkung bei Schwingungen auf, welche aufgrund der akustischen Verbindung zwischen dem Raketengehäuse und der Nutzlast aufgrund der schnellen Transitgeschwindigkeit des Triebwerks und der Nutzlast durch die Atmosphäre oder aufgrund der Schwingungen übertragen werden, welche von der anfänglichen Zündung der Raketenmotoren auf dem Boden zurück reflektiert werden.
Um die Nutzlast beim Start zu schützen, wird gewöhnlich ein Außengehäuse oder Schutzkegel um die Nutzlast herum platziert, so dass sie nicht dem Luftstrom ausgesetzt ist, welcher bei der Reise des Triebwerks durch die Atmosphäre auftritt. Während der Schutzkegel gewöhnlich am Triebwerk abgedichtet ist, weist er normalerweise mehrere Öffnungen auf, so dass sich der interne Druck in dem Schutzkegel bei dünner werdender Atmosphäre nicht bis zu einer Explosionsstärke aufbaut.
Bei fortgesetzter Beschleunigung und fortgesetztem Aufstieg des Triebwerks und der Nutzlast bewirken Turbulenzen aufgrund der schnellen Passage, dass der Schutzkegel vibriert, und diese Schwingungen werden durch die Luft in dem Schutzkegel auf die Nutzlast übertragen. Die Turbulenzen erreichen bei oder nahe der Schallgeschwindigkeit einen Höhepunkt, bei welchem eine erhebliche Schockwelle auftritt, welche die Nutzlast schwer beschädigen kann. Um das Risiko zu reduzieren, wird der Schutzkegel gewöhnlich aus einem schweren Material aufgebaut, welches Biegen und flexiblem Auslenken aufgrund der Turbulenzen und der Schockwelle widersteht. Dies ist natürlich unerwünscht, da sich mit der Stärke des Materials auch die Masse des Schutzkegels erhöht, was folglich bewirkt, dass die Rakete eine größere Masse heben muss, um die Atmosphäre zu verlassen.
Wenn das Triebwerk und die Nutzlast die Schallmauer einmal durchbrochen und die Atmosphäre im Wesentlichen verlassen haben, verschwindet die Notwendigkeit des Schutzkegels, und er wird zu diesem Zeitpunkt gewöhnlich abgestoßen. Die Explosionskraft, welche verwendet wird, um die Teile des Schutzkegels zu ihrem Abwerfen zu trennen, kann auch einen Schock auf die Nutzlast ausüben, falls Luft vorhanden ist. Danach treten wenig oder keine akustischen Turbulenzen auf, weil es wenig Atmosphäre um die Nutzlast herum gibt.
Die vorliegende Erfindung entfernt die akustischen Schwingungen durch Entfernen der Luft in dem Schutzkegel, so dass sie keine Schwingungen übertragen kann.
Die vorliegende Erfindung schlägt vor, den Schutzkegel auf dem Weg nach oben allmählich, ohne eine Pumpe mitzuführen, zu evakuieren. Insbesondere kann der Schutzkegel unter Verwendung des Venturi-Düsenprinzips durch Vorbeiführen von Abgas oder Luft an dem offenen Ende der Venturi-Düse evakuiert werden, entweder indem es in dem Weg der Atmosphärenluft platziert wird, welche an dem Triebwerk vorbeiströmt, oder indem das offene Ende der Venturi-Düse dem Luftstrom aus dem Raketenauslass ausgesetzt wird. In beiden Fällen bewirkt die Reduktion des Drucks an dem anderen Ende der Venturi-Düse, dass das Innere des Schutzkegels beim Aufsteigen der Rakete mehr und mehr evakuiert wird.
Um zu vermeiden, dass während des Aufstiegs des Triebwerks der Druck innerhalb des Schutzkegels zu gering wird, kann ein Niederdruck-Differenzventil oder ein Entlüftungsventil in der Venturi-Düse platziert werden, um den Druck in dem Schutzkegel um einen bestimmten, vorher festgelegten Wert geringer als den Atmosphärendruck zu halten.
Manche der verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden in Verbindung mit den Figuren beschrieben. 1 zeigt keine Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung. Sie zeigt eine Trägerrakete oder ein Triebwerk 10, wie es vor dem tatsächlichen Start erscheint. Eine Nutzlast 12, welche ein Satellit sein kann, ist auf dem Triebwerk 10 durch einen Schwingungsisolator 14 befestigt gezeigt, welcher der gleiche Isolator sein kann, welcher in dem oben stehenden Patent 5,947,240 beschrieben ist. In den Figuren wird ein Außengehäuse oder Schutzkegel oben auf dem Triebwerk 10 in einer abgedichteten Weise befestigt gezeigt, um die Nutzlast 12 in dem Raum 22 zu verkapseln und abzudichten, welcher von dem Schutzkegel gebildet wird. Der Schutzkegel ist normalerweise in zwei oder drei Muschelschalen ähnlichen Teilen angefertigt, um eine Entfernung von dem Triebwerk 10 zu erleichtern, nachdem das Triebwerk und die Nutzlast 12 im All sind.
In 1 wird eine Pumpe 24 gezeigt, welche mit einem Rohr 26 verbunden ist, welches in das Innere des Schutzkegels führt. Wenn sie aktiviert ist, evakuiert die Pumpe 24 den Raum innerhalb des Schutzkegels. Wenn eine Evakuierung vor dem Start durchgeführt wird, kann das Rohr 26 dann abgedichtet und die Pumpe 24 entfernt werden. Falls es gewünscht ist, den Raum 22 beim Start langsam zu evakuieren, kann die Pumpe 24 an dem Triebwerk 20 befestigt bleiben und mit ihm durch die Atmosphäre aufsteigen. Beim Aufsteigen des Triebwerks 10 und der Nutzlast 12 würde die Pumpe 24 dann fortgesetzt den Druck innerhalb des Schutzkegels 20 mehr und mehr reduzieren, um den Raum 22 bei einem vorbestimmten Wert hinsichtlich des Atmosphärendrucks außerhalb des Schutzkegels zu halten. Dies gestattet, dass das Material des Schutzkegels leichter ist, als es auf andere Weise sein müsste. Es wird kontinuierlich Luft entfernt, so dass der Raum 22 zu einem Vakuum wird, gerade bevor die Geschwindigkeit des Triebwerks 10 die Schallmauer erreicht, wodurch folglich verhindert wird, dass die Schockwellen die Nutzlast 12 beeinträchtigen.
2 zeigt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei die mit 1 gemeinsamen Elemente immer noch die gleichen Bezugszeichen aufweisen. In 2 wird die Evakuierung des Raums 22 in dem Schutzkegel bewirkt, während das Triebwerk und die Nutzlast nach dem Start und ohne Pumpe 24 durch die Atmosphäre aufsteigen. An der Stelle der Verwendung einer Pumpe wird eine Venturi-Düse 30 mit einem offenen Ende 32 gezeigt, welches dem Abgas 34 ausgesetzt ist, und das andere Ende der Venturi-Düse ist an dem Rohr 26 befestigt. Beim Aufsteigen der Rakete bewirkt der Strom der Abgase hinter dem offenen Ende 32 der Venturi-Düse 30, dass das Rohr 26 Luft aus dem Raum 22 entfernt und zu einem Zeitpunkt ummittelbar bevor das Triebwerk 10 und die Nutzlast 12 die Schallmauer erreichen ein vollständiges Vakuum bereitstellt. Zur besseren Steuerung der Evakuierungsgeschwindigkeit kann mehr als eine Venturi-Düse verwendet werden. Beispielsweise kann Venturi-Düse 30a, welche mit dem offenen Ende 32a den Abgasen 34 ausgesetzt ist, durch ein Rohr 26a mit dem Raum 22 innerhalb des Schutzkegels verbunden werden, wobei folglich die Evakuierungsgeschwindigkeit gesteigert wird. Es können, falls erforderlich, andere Venturi-Düsen (nicht gezeigt) verwendet werden.
Zum Steuern des Vakuums in dem Raum 22 kann hinsichtlich der Außenatmosphäre ein Differenzventil oder ein Entlüftungsventil 36 zwischen einem der Rohre 26 und 26a und dem Inneren des Schutzkegels angeschlossen werden, so dass, wann immer der Differenzdruck zwischen dem Raum 22 und der Außenatmosphäre einen vorbestimmten Wert übersteigt, das Ventil 36 arbeitet, um den Differenzdruck auf den gewünschten Wert zu justieren.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei welcher die Rohre 26 und 26a der 2 entfernt sind und der Schutzkegel so gebaut ist, dass er eine oder mehrere Venturi-Düsen 40 und 40a mit offenen Enden 42 und 42a enthält, welche sich beispielsweise in die Außenatmosphäre erstrecken, um der Luft ausgesetzt zu sein, welche beim Passieren der Trägerrakete oder des Triebwerks 20 durch die Luft vorbeiströmt. Wieder saugen die Venturi-Düsen 40 und 40a bei dem immer schnelleren Aufsteigen der Rakete durch die Atmosphäre allmählich Luft aus dem Raum 22 ab, so dass das Innere des Schutzkegels evakuiert wird, bevor die Rakete die Schallgeschwindigkeit erreicht. Falls gewünscht, kann wieder ein Differenzventil 46 verwendet werden, um zu gewährleisten, dass der Differenzdruck zwischen dem Raum 22 und der Außenatmosphäre einen vorbestimmten Wert nicht übersteigt.
Es ist folglich ersichtlich, dass ein neuer und einzigartiger Weg zum Schutz der Nutzlast einer Rakete vor akustischen Schwingungen bereitgestellt wird, welche während des Starts auftreten. Während eine einzelne Stufe zum Zweck der vorliegenden Beschreibung verwendet wurde, wird anerkannt, dass viele Raketen mehrere Stufen einsetzen. Die Anordnung der Bestandteile der vorliegenden Erfindung und ihre Befestigung an der Rakete müssen möglicherweise zur Verwendung mit mehreren Stufen modifiziert werden.

Claims

Isolationsvorrichtung für akustische Schwingungen zur Minimalisierung der akustischen Schwingungsübertragung auf eine Nutzlast innerhalb einer Trägerrakete (10), umfassend: einen Schutzkegel, welcher die Nutzlast umgibt; und eine Evakuierungsvorrichtung, welche mit dem Schutzkegel verbunden ist, um den Schutzkegel und den Raum um die Nutzlast herum zu evakuieren, dadurch gekennzeichnet, dass die Evakuierungsvorrichtung eine Venturi-Düse (40; 40a; 30; 30a) umfasst.
Isolationsvorrichtung für akustische Schwingungen nach Anspruch 1, wobei die Trägerrakete Triebwerke (10) umfasst, welche sich bewegende Gase (34) erzeugen, und wobei die Venturi-Düse (30; 30a) ein Ende aufweist, welches den sich bewegenden Gasen ausgesetzt ist.
Isolationsvorrichtung für akustische Schwingungen nach Anspruch 1, wobei sich die Venturi-Düse (40; 40a) beim Aufsteigen während des Starts durch den Schutzkegel in die den Schutzkegel umgebende Atmosphäre erstreckt.
Isolationsvorrichtung für akustische Schwingungen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Schutzkegel ein abgedichteter Behälter ist, welcher entfernbar ist, wenn die akustischen Schwingungen aufhören.
Isolationsvorrichtung für akustische Schwingungen nach Anspruch 4, wobei die Trägerrakete auf der Startrampe oder beim Bewegen durch die Atmosphäre akustische Turbulenzen aufgrund reflektierter akustischer Energie erfährt.
Isolationsvorrichtung für akustische Schwingungen nach Anspruch 5, wobei die Trägerrakete zum Liefern der Nutzlast (12) ins All dient.
Isolationsvorrichtung für akustische Schwingungen nach Anspruch 5, wobei die Trägerrakete Geschwindigkeiten erfährt, welche die Schallgeschwindigkeit überschreiten, und mindestens ein Teil der akustischen Turbulenzen aufgrund der Schockwelle entsteht, welche beim Durchbrechen der Schallmauer auftritt.
Isolationsvorrichtung für akustische Schwingungen nach Anspruch 4, weiterhin ein Differenzdruckventil (46) umfassend, welches mit der Venturi-Düse und dem Inneren des Schutzkegels verbunden ist, um zu gewährleisten, dass der Druck in dem Schutzkegel hinsichtlich der Atmosphäre, welche den Schutzkegel umgibt, nicht stärker schwankt als um einen vorbestimmten Betrag.
Verfahren zum Unterbinden, dass akustische Schwingungen eine Nutzlast innerhalb einer Trägerrakete (10) beschädigen, die folgenden Schritte umfassend: Anschließen eines Schutzkegels um die Nutzlast herum; und Evakuieren des Inneren des Schutzkegels um die Nutzlast herum, gekennzeichnet durch Verwenden einer Venturi-Düse (40; 40a; 30; 30a), so dass keine akustischen Schwingungen auf die Nutzlast übertragen werden können.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Trägerrakete verwendet wird, um die Nutzlast über die Erdatmo sphäre hinaus ins All zu bringen, und der Schritt des Evakuierens beim Start durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Trägerrakete verwendet wird, um die Nutzlast über die Erdatmosphäre hinaus ins All zu bringen, und der Schritt des Evakuierens beim Start und vor Erreichen der Schallmauer durchgeführt wird.
Verfahren zum Unterbinden, dass Schwingungen eine Nutzlast (12) beschädigen, welche mit einer Trägerrakete verbunden ist, welche ein Abgas (34) zur Beförderung durch die Erdatmosphäre mit Geschwindigkeiten erzeugt, welche solche überschreiten, welche Schockwellen beim Durchbrechen der Schallmauer verursachen, den folgenden Schritt umfassend: Platzieren eines abgedichteten Schutzkegels um die Nutzlast herum, gekennzeichnet durch Entfernen der Gase in dem Schutzkegel um die Nutzlast herum unter Verwendung einer Venturi-Düse (40; 40a; 30; 30a), um ein Vakuum mindestens vor dem Durchbrechen der Schallmauer bereitzustellen, um akustische Schwingungen beim Passieren der Trägerrakete durch die Erdatmosphäre unter eine Turbulenzgrenze zu dämpfen und um die akustischen Schwingungen aufgrund der Schockwelle des Durchbrechens der Schallmauer zu dämpfen, und gekennzeichnet durch Platzieren eines Schwingungsisolators zwischen der Nutzlast (12) und der Trägerrakete, um mechanische Schwingungen zu dämpfen, welche von der Trägerrakete auf die Nutzlast übertragen werden.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Schritt des Platzierens eines abgedichteten Schutzkegels weiterhin den folgenden Schritt umfasst: Befestigen eines Endes der Venturi-Düse (30; 30a) an der Trägerrakete durch den Schutzkegel hindurch und in das Abgas der Trägerrakete, so dass die Gase in dem Schutzkegel beim Start und vor Durchbrechen der Schallmauer entfernt werden.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Schritt des Platzierens eines abgedichteten Schutzkegels weiterhin den folgenden Schritt umfasst: Befestigen eines Endes der Venturi-Düse (40; 40a) durch den Schutzkegel hindurch in die beim Start die Trägerrakete umströmende Atmosphäre, so dass die Gase in dem Schutzkegel beim Passieren der Trägerrakete durch die Erdatmosphäre und vor Durchbrechen der Schallmauer abgesaugt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, weiterhin den Schritt des Anschließens eines Differenzdruckventils (46) zwischen dem Inneren des Schutzkegels und der Atmosphäre um den Schutzkegel herum umfassend, um ein Überschreiten eines vorbestimmten Werts des Differenzdrucks dazwischen zu vermeiden.