DE68914459T2

DE68914459T2 - Schutzvorrichtung gegen die überhitzung von raketenmotoren mechanischer auslösung.

Info

Publication number: DE68914459T2
Application number: DE68914459T
Authority: DE
Inventors: Donald Hibler; James Hinrichs
Original assignee: Fike Corp
Current assignee: Fike Corp
Priority date: 1988-08-11
Filing date: 1989-08-10
Publication date: 1994-07-28
Anticipated expiration: 2009-08-11
Also published as: CA2001315C; US5160070A; CA2001315A1; EP0428627A1; EP0428627A4; JPH04500109A; WO1990001633A1; EP0428627B1; WO1990001634A1; DE68914459D1

Description

Hintergrund der Erfindung

1. Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf Trennwandbauten für mehrstufige Feststoff-Raketentriebwerke und insbesondere auf eine nach hinten ausgebauchte gekerbte Bruchscheiben-Trennwand, die in der Lage ist, extrem hohen Drücken dagegen in einer Richtung zu widerstehen, während sie sich unter verhältnismäßig niedrigem Druck in der entgegengesetzten Richtung öffnet, um einen freien Strom gasförmiger Treibstoff-Verbrennungsprodukte dadurch zu ermöglichen.

2. Beschreibung des bisherigen Standes der Technik

Mehrstufige Feststoff-Raketentriebwerke haben in den jüngsten Jahren wegen der erhöhten Kompliziertheit und Miniaturisierung von Raketen, die man von eirier mobilen in der Luft, an Land oder auf dem Wasser stationierten Plattform abschießen kann, eine gesteigerte Nützlichkeit erfahren. Diese Raketen beinhalten üblicherweise mindestens zwei Antriebsstufen. Ein Zünder zündet die Antriebsstufe in unmittelbarer Nähe der Abschußöffnung des Raketenmantels, und zusätzliche Stufen werden dann nacheinander in Abhängigkeit von der Natur des Abschusses und der Abgangs- Flugbahn für eine spezielle Waffe gezündet.
Um die Unverletztheit der gewünschten Raketenbahn, insbesondere über große Entfernungen zu bewahren, müssen die Antriebsstufen zu Zeiten gezündet werden, welche die eine in bezug auf die andere sehr kritisch sind. Wenn eine zweite Antriebsstufe vorzeitig gezündet wird, bevor ein Ausbrennen der ersten Stufe in einem bestimmten Ausmaß stattgefunden hat, dann kann die Genauigkeit der Rakete beeinträchtigt werden. Weiterhin kann, wenn das Zünden nachfolgender Stufen verzögert wird und nicht zu einer genauen Zeit bezogen auf das Zünden einer vorhergehenden Stufe auftritt, die Bahn der Rakete entweder in unerwünschter Weise verändert werden, oder es wird eine programmierte oder befohlene Änderung nicht so auftreten, wie es für das Auftreffen im Ziel erforderlich ist.
Eine Trennwand-Bruchscheiben-Baueinheit, die in einem mehrstufigen Feststoffraketenantrieb verwendet wird, muß nicht nur zuverlässig ein Zurückstömen von gasförmigen Antriebs-Reaktionsprodukten aus der Stufe, die gerade abbrennt, verhüten, sondern sich auch im wesentlichen sofort unter einem viel geringeren Druck dagegen in der entgengesetzten Richtung öffnen, so daß es eine effektive Abgabe von Antriebsmittel-Verbrennungsprodukten gibt. Weiterhin muß die Trennwand ein solches Zurückströmen von Verbrennungsprodukten von einer vorhergehenden Stufe verhüten, während sie sich gleichzeitig frei in der entgegengesetzten Richtung nach Zünden der nächstfolgenden Stufe öffnet, ohne, daß die gasförmigen Produkte ungleichmäßig über die Abgabeöffnung der Rakete ausgestoßen werden, was ihre Richtungsbahn ändern würde. In ähnlicher Weise muß ein volles öffnen der Scheibe sichergestellt werden, um Hindernisse in der Strömungsbahn der gasförmigen Verbrennungsprodukte zu vermeiden, was unter bestimmten Umständen zu einer Explosion der Rakete führen könnte.
Ein Beispiel für die Nutzung einer Bruchscheibe bei einem mehrstuf igen Feststoffraketenantrieb für Raketen wird im US-Patent Nr. 4,738,099 vom 19. April 1988 veranschaulicht und beschrieben, welches auf den Inhaber dieser Anmeldung ausgestellt ist. Bei dem Patent '099 wird eine Bruchscheibe, die eine Reihe sich radial erstreckender Sollbruchlinien hat, die von der Mitte der Scheibe aus hervorragen, für eine Rakete beschrieben, die mehrere Antriebsstufen hat. Die Bruchscheibe hat eine in der Mitte liegende Öffnung für die Unterbringung einer axial angeordneten Zünderbaueinheit für das Bewerkstelligen einer Zündung der nachfolgenden Feststoff-Antriebsmittelstufe.
Die Trennwand-Bruchscheibenbaueinheit des Patents '099 beinhaltet eine domförmige, in der Mitte mit einer Öffnung versehene Metallscheibe, die von einer in ergänzender Weise mit einer Öffnung versehenen Domhalterung aus einem synthetischen Harz, beispielsweise aus einer Phenolmischung, getragen wird. Obwohl die in jenem Patent beschriebene und veranschaulichte Baueinheit bei einer Anzahl von Anwendungen bei Feststoffmotoren für Raketen und dergleichen von Nutzen ist, kann sie nicht bei Raketenantrieben mit kleinem Durchmesser verwendet werden, welche nicht in der Lage sind, einen in der Mitte liegenden Zünder unterzubringen, der innerhalb einer Öffnung in der Mitte der Trennwand positioniert ist. Eine ausgebauchte Bruchscheibeneinheit, die in mancher Beziehung der des Patents '099 ähnlich ist, wurde Anfang der 1970er Jahre durch den Inhaber dieser Anmeldung getestet, doch kann die Einheit nicht bei der vorliegenden Anwendung in einem mehrstufigen Raketenantrieb verwendet werden, weil sie begrenzte Rückdruckeigenschaften hat. Jene Einheit hat eine große gekerbte konkav-konvexe Metallscheibe (mit einem Durchmesser von ungefähr 6,36 cm (2 1/2 Zoll), wobei die konvexe Seite gegen eine Domplatte ähnlicher Dicke aufliegt und eine Reihe kleiner Bohrungen hat, die ein kreuzförmiges Muster definieren. Die konkave Seite wird über Kreuz geritzt, bevor die Scheibe über den gesamten Durchmesser davon ausgebaucht wird, welcher den Entlastungskanal überbrückt. Der Öffnungsdruck beträgt ungefähr 2,4 - 2,5 MPa (350 - 750 psi); der Widerstand des Rückdruckes ist auf 13,8 MPA (2000 psi) oder weniger begrenzt.
Eine andere bekannte Bruchscheibenkonstruktion wird im US-Patent Nr. 4,505,180 vom 19. März 1985 veranschaulicht und beschrieben, welches ebenfalls auf den Inhaber dieser Anmeldung ausgestellt ist. Bei der Konstruktion des Patents '180 ist eine Bruchscheibe mit einer metallischen zerbrechlichen Scheibe versehen, welche eine Niederdruckseite und eine gegenüberliegende geritzte Hochdruckseite zusammen mit einem mit einer Öffnung versehenen Verstärkungselement hat, das angrenzend an die Niederdruckseite positioniert ist. Das Verstärkungselement beinhaltet eine Vielzahl von Stegen, die mit der Scheibenritzung fluchten, welche mit der Niederdruckseite der Scheibe in Eingriff kommen und ein Brechen der Scheibe unter dem Einfluß hoher Berstdrücke verhüten, die gegen die davon entfernt liegende Hochdruckseite gerichtet sind, während sie ein Brechen der Scheibe gestatten, wenn die verhältnismäßig niedrigen Berstdrücke angrenzend an die Niederdruckseite entwickelt werden.
Obwohl die in dem Patent '180 offenbarte Einrichtung bei einem Mehrstufenantrieb für Raketen nützlich ist, besteht eine Anzahl von Einschränkungen bei der bekannten Konstruktion. Beispielsweise wäre es wünschenswert, für eine Bruchscheibenbaueinheit zu sorgen, die bezogen auf die bekannte Konstruktion ein reduziertes Gewicht hat und die weiterhin für eine freie und volle Öffnung der Scheibe und des Verstärkungselements sorgt, um eine unbehinderte Strömungsbahn für gasförmige Verbrennungsprodukte zu liefern, die hinter der Baueinheit abgegeben werden.

Zusammenfassung der Erfindung

Die verbesserte Bruchscheiben-Trennwandkonstruktion dieser Erfindung beinhaltet eine im wesentlichen flache Plattenscheibe, die eine Reihe von darin ausgebildeten Ausbauchungen hat. Die Scheibe wird von einem Verstärkungselement getragen, das daran fest angebracht ist. Die Scheibe und das Verstärkungselement sind beide aus Metall hergestellt, vorzugsweise aus einer rostfreien Stahllegierung, so daß die Trennwand in der Lage ist, die erhöhten Temperaturen auszuhalten, die man bei mehrstufigen Hochdruckantriebsraketen antrifft.
Es ist jetzt entdeckt worden, daß dann, wenn eine verhältnismäßig dünne flache Metallplatte in geeigneter Weise mit einer mit mehreren Öffnungen versehenen Verstärkungsspinne oder -element verschweißt wird, die sich daraus ergebende Trennwandkonstruktion einen außerordentlich hohen Druck, der gegen die freiliegende Fläche der Scheibe aufgebracht wird, ohne Ausfall aushält, wenn die Scheibe durch eine Verfahrensweise hergestellt ist, welche ausgebauchte Teile erzeugt, die sich dort hinein erstrecken und von derselben Gestalt wie die Öffnungen des Verstärkungselements sind, die direkt damit fluchten. Auf der anderen Seite öffnet sich die Trennwand im wesentlichen sofort unter einem verhältnismäßig geringen Druck gegen dieselbe, wenn die Scheibe in geeigneter Weise eingekerbt ist, so daß sie sich leicht öffnet, wenn Druck auf die Scheibe durch die Öffnungen in dem Verstärkungselement aufgebracht wird.
Die ausgebauchten Bereiche werden zuerst in der Scheibenplatte ausgebildet, und danach wird die Scheibe gekerbt, so daß sie vorbestimmte Sollbruchlinien aufweist, bevor die Scheibe an ihrem Tragelement befestigt wird. Auf diese Weise gibt es keine Tendenz, daß sich die Scheibe oder die Kerblinien weiter deformieren, um sich weiter zu schwächen, wenn ein hoher Druck dagegen ausgeübt wird, welcher dazu tendieren könnte, das Metall der Scheibe zu verschieben, ein Öffnen derselben entlang der Kerblinien zu ermöglichen und zu einem vorzeitigen Brechen der Scheibe zu führen, wenn sie hohen Rückdrücken ausgesetzt wird.
Das metallische mit Öffnungen versehene Verstärkungselement hat eine Querschnittsform und eine Dicke, die angemessen sind, um für eine Auflagerung für die Scheibe zu sorgen, wenn die letztere hohen Drücken ausgesetzt wird und ist doch aus einem Material hergestellt, das einer Verflüchtigung unterliegt, wenn heile Treibstoffgase durch das Verstärkungselement strömen, um den mittleren Teil davon in einem solchen Ausmaß zu erodieren, daß für eine volle und unbehinderte Öffnung für das Ausströmen von Gasen zur Abgabeöffnung der Rakete während des Brennens der zweiten oder entsprechender folgender Stufen gesorgt wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird unter Verweis auf die beigefügten Zeichnungen nachstehend beschrieben, wobei
Fig. 1 eine im wesentlichen schematische Schnittdarstellung einer Rakete ist, die einen Mantel mit einer Ausstoßöffnung hat und drei gesonderte Treibstufen hat, die voneinander durch eine Bruchscheiben-Trennwand getrennt sind:
Fig. 2 eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer Bruchscheiben-Trennwand-Konstruktion ist, die in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung aufgebaut ist und einen Niederhaltering, die mit Öffnungen versehene und gekerbte Bruchscheibe und ein mit Öffnungen versehenes Verstärkungselement für die Scheibe veranschaulicht;
Fig. 3 eine Grundrißansicht der Trennwand ist, die in Fig. 2 veranschaulicht wird und die Bauteile in ihrer normalen zusammengebauten Stellung zeigt;
Fig. 4 eine vertikale Schnittansicht entlang der Linien 4-4 von Fig. 3 ist;
Fig. 5 eine vergrößerte bruchstückartige Schnittansicht ist, die eine Kerblinie in einer auf einem Verstärkungselement montierten Scheibe zeigt;
Fig. 6 eine Grundrißansicht der Trennwand wie in Fig. 3 veranschaulicht ist, welche aber die Art und Weise zeigt, in welcher die zentralem Scheibentragteile des Verstärkungselements während des Durchgangs von heißen Treibmittel-Verbrennungsprodukten durch dieselben wegerodieren, um einen relativ vollkommen geöffneten Durchgang für die Abgabe solcher Produkte durch die Öffnung eines Raketenmantels zu lassen;
Fig. 7 eine montierte perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungsform des Trennwand dieser Erfindung ist, welche anders geformte Öffnungen durch das Scheibentragelement veranschaulicht, als sie in der Ausführungsform von Fig. 2 veranschaulicht sind;
Fig. 8 eine Boden-Grundrißansicht der in Fig. 7 gezeigten Trennwand ist;
Fig, 9 eine vertikale Schnittansicht entlang der Linien 9 - 9 von Fig. 8 ist;
Fig. 10 eine montierte perspektivische Ansicht einer dritten Ausführungsform der Trennwand dieser Erfindung ist, die andere Typen von Öffnungen in dem Verstärkungselement zeigt, als sie vorher veranschaulicht worden sind; und
Fig. 11 eine vertikale Schnittansicht der in Fig. 10 gezeigten Trennwand ist.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Der Raketenteil 10 eines typischen Mehrstufen-Raketenantriebs 12 ist in Fig. 1 veranschaulicht. Der zylindrische Mantel 14 der Rakete 12 hat eine verjüngte Auslaßöffnung 16, welche eine Abgabe gasförmiger Treibmittelverbrennungsprodukte von dem Mantel 14 nach sequentiellem Zünden der Stufen gestattet. Nur für Zwecke der beispielhaften Veranschaulichung ist der Raketenantrieb so abgebildet, daß drei getrennten Treibmittelstufen 18, 20 und 22 untergebracht sind, die durch identische Bruchscheiben-Trennwände entsprechend voneinander getrennt sind, die grob mit 24 beziehungsweise 26 bezeichnet sind; es ist jedoch selbstverständlich, daß die Trennwand-Konstruktion auch bei einem zweistufigen Antrieb nutzbar oder bei Raketenantrieben vorstellbar ist, die mehr als drei Stufen haben.
Die Treibmittelstufen 18 - 22 werden nacheinander durch Zünder 28, 30 und 32 gezündet, die angrenzend an die vorderste Seite jeder Treibmittelstufe entsprechend untergebracht sind. Nach dem Zünden der ersten Stufe 18 durch den Zünder 28 werden die dadurch erzeugten gasförmigen Verbrennungsprodukte durch die Öffnung 16 abgegeben, wodurch bewirkt wird, daß die Rakete von ihrer Rampe abgehoben wird, um zu einem beabsichtigten Ziel hin auf die Bahn zu kommen. Nachdem die Treibstufe 18 bis zu einem gewissen Ausmaß abgebrannt ist, zündet der Zünder 30 die Treibstufe 20, welcher dann das Zünden der Endstufe 22 der Dreistufenrakete folgt, die nur für veranschaulichende Zwecke abgebildet ist.
Die Trennwände 24 und 26 sind von identischer Konstruktion, und deshalb braucht nur eine derselben detailliert beschrieben zu werden. Demgemäß und unter anfänglichem Verweis auf Fig. 2 bis 5 einschließlich hat die grob mit 24 bezeichnete Trennwandkonstruktion als Hauptbestandteile eine in der Mitte liegende Bruchscheibe 34, ein Verstärkungselement 36 und einen Niederhaltering 38.
Die Scheibe 34 ist eine kreisförmige, anfänglich flache Metallplatte 40, beispielsweise aus rostfreiem Stahl oder Nickel, welche Kerblinien 42 und 44 aufweist, die ein sich kreuzendes Muster definieren. Die Linien 42 und 44 enden in einem gewissen Abstand von dem äußeren Umfang der Metallplatte 40.
Bogenförmige gefräste Nuten 45 sind an den Endpunkten der Kerblinien 42, 44 vorgesehen, wobei jede Nut 45 sich in einer Richtung im wesentlichen senkrecht zu der Linie 42 oder 44 erstreckt, mit welcher sie sich schneidet. Wie umfassender nachstehend diskutiert wird, sind die bogenförmigen gefrästen Nuten 45 in der Scheibe 34 vorgesehen, um ein vollständiges Öffnen der Scheibe 34 nach dem Zünden der Treibmittelstufe 20 zu gestatten. Bei der bevorzugten Ausführungsform sind die Nuten 45 so in der Scheibe eingefräst, daß der Berstdruck der Scheibe, wie er durch die Kerblinien 42, 44 definiert wird, nach Bilden der Nuten 45 unverändert bleibt. Jedoch könnten sowohl die Linien 42, 44, als auch die Nuten 45, wenn gewünscht, in der Scheibe durch eine Fräsoperation gebildet werden.
Das Verstärkungselement 36 ist ebenfalls von selbsttragender Konstruktion, aus einem Metall, wie beispielsweise rostfreiem Stahl hergestellt und mit einem in der Mitte liegenden massiven Hauptkörper 46 versehen, der eine Ringflansch 48 auf einer Seite davon aufweist. Die gegenüberliegende Seite 50 des Körpers 46 ist flach für eine ergänzende Aufnahme der Scheibe 34 darüber, wenn die Trennwand 24 zusammengebaut ist. Der Körper 46 ist mit einer Reihe von Öffnungen 52 versehen, welche bei der dargestellten Ausführungsform von generell rechteckiger Gestalt und symmetrisch um die Achse von Körper 46 herum angeordnet sind. Vorzugsweise sind vier Öffnungen 52 vorgesehen, welche jeweils zwei am weitesten innen liegende rechtwinklige Schenkel 52a und 52b haben, die sich mit kürzeren am weitesten außen liegenden Schenkeln 52c beziehungsweise 52d vereinigen. Mit einem Radius versehene Ecken verschmelzen angrenzende Schenkel 52a - 52d miteinander, wobei die äußeren mit einem Radius versehenen Teile von größerem Durchmesser als die inneren Radien sind.
Der Ring 38, ebenfalls aus rostfreiem Stahl, liegt gegen die äußerste Seite von Scheibe 34 und gewährleistet eine Befestigung von Scheibe 34 mit dem Verstärkungselement 36 durch Verschweißung oder dergleichen ohne Deformation des Umfangsrandes der Platte 40.
Ein besonders wichtiges Merkmal der Trennwandkonstruktion 24 ist die Art und Weise, in welcher die Teile der flachen Platte 40, welche normalerweise über jeder Öffnung 52 liegen, in einer solchen Weise ausgebaucht werden, daß die ausgebauchten Teile komplementär innerhalb entsprechender Öffnungen aufgenommen werden. So sind die ausgebauchten Teile 54 jeweils domförmig, damit sie konkave Seiten aufweisen, welche einem Umfang haben, der genau mit der Form einer entsprechenden Öffnung 52 zusammenpaßt. Obwohl es nicht direkt aus den Zeichnungen hervorgeht, ist es selbstverständlich, daß die Ränder von Seite 50 von Verstärkungselement 36, welche entsprechende Öffnungen 52 definieren, mit einem kleinen Radius in einer Richtung versehen sind, die sich von Seite 50 hinunter in die Öffnungen erstreckt, so daß dann, wenn Druck auf die Bruchscheibe 34 und insbesondere gegen die einzelnen domförmig gestalteten Teile 54 ausgeübt wird, es keine Tendenz gibt, daß die Kanten des Verstärkungselements, die die Öffnungen definieren, in die Scheibe 34 einschneiden oder sie spalten und dadurch ein Brechen der Scheibe verursachen.
Weiterhin wird das Ausbauchen und Kerben der Scheibe 34 unter solchen Bedingungen ausgeführt, daß keine Tendenz besteht, daß sich die Teile 54 nennenswert weiter deformieren oder daß das Metall sich entlang der Kerblinien 42, 44 in der Platte 40 trennt, wenn ein vorbestimmter Druck gegen die Scheibe 34 in einer Richtung auf die Seite von Scheibe 34 ausgeübt wird, die entfernt von dem Verstärkungselement 36 liegt. Die Kerblinien 42 und 44 und auch die Nuten 45 werden in der Platte 40 nach dem Bilden der Ausbauchungen 54 gebildet; wenn dies umgekehrt ausgeführt würde, dann könnten die Ausbauchungsoperation eine weitere Schwächung des gekerbten Materials verursachen.
Um das beabsichtigte Ziel zu erreichen, wird die anfänglich flache Platte 40 ausgebaucht, um die einzelnen domförmigen Teile 54 darin unter einem Druck zu bilden, der größer als derjenige ist, den man anzutreffen erwartet, wenn eine Scheibe 24 oder 26 tatsächlich in einem Raketenantrieb für die Rakete oder dergleichen installiert ist. Wenn beispielsweise Scheibe 24 (26) so konstruiert ist, dar sie einen statischen Rückdruck von 34,5 - 60,9 MPa (5.000 bis 10.000 psig) bei Gebrauch aushält, dann wird die Platte 40, um domförmige oder vertiefte Teile 54 darin zu bilden, unter einem Druck oberhalb ihres nominell auszuhaltenden Drucks ausgebaucht. Wenn der nominell auszuhaltende Druck auf 48,3 MPa (7.000 psig) spezifiziert ist, dann sollte das Ausbauchen der Platte 40 unter einem Druck mit ausreichendem Betrag über 48,3 MPa (7.000 psig) erfolgen, so daß bei Gebrauch der Trennwand 24 die Platte 40 keiner zusätzlichen Deformation über die Öffnungen 52 ausgesetzt wird. Es ist zum Beispiel festgestellt worden, dar ein Druck von ungefähr 13,8 MPa (2.000 psi) über dem vorgeschriebenen auszuhaltenden Rückdruck normalerweise angemessen ist, um für die erforderliche Sicherheit dafür zu sorgen, daß sich eine Scheibe nicht deformiert, wenn sie einem statischen Druck mit einem speziellen Wert ausgesetzt wird.
Es ist auch wert, zu bemerken, daß die Kerblinien 42, 44 strategisch so angeordnet sind, daß sie direkt über den Segmenten 56 von Körper 48 liegen, die die Schenkel 52a und 52b jeder Öffnung definieren. Die Konsequenz ist, daß dann, wenn Druck gegen die Seite von Scheibe 34 aufgebracht wird, die dem Verstärkungselement 36 gegenüberliegt, es angesichts der Fähigkeit der domförmigen Teile 54 von Platte 40, einer weiteren Deformation zu widerstehen, keine Tendenz gibt, daß die Kerblinien sich trennen und ein unbeabsichtigtes Durchtreten von Gasen durch die Scheibe 34 gestatten.
Die bogenförmigen gefrästen Nuten oder Linien 45 werden in die Scheibe an den Endpunkten der Kerblinien 42, 44 eingeschnitten, nachdem die Kerblinien in der Scheibe gebildet worden sind und erstrecken sich in einer Richtung generell senkrecht zu den Kerblinien. Diese gefrästen Nuten 45 definieren eine bogenförmige Linie am Umfang der Scheibe 34, um welche sich die durch die Linien 42, 44 definierten Segmente während der Öffnung der Scheibe 34 biegen. Bei Nichtvorhandensein der gefrästen Nuten 45 werden die Segmente gegenüber einem vollständigen Öffnen eingeschränkt, wenn sie einem nach vorn wirkenden Berstdruck ausgesetzt werden. Durch Bereitstellen der gefrästen Nuten 45 können jedoch die Segmente sich freier in der Baueinheit, als bei bekannten Konstruktionen biegen und sorgen folglich für eine gröere Öffnung für das Durchtreten von Verbrennungsprodukten, die dadurch abgegeben werden.
Indem wir zu Fig. 1 zurückkehren, kann man sehen, daß die Wand des Raketenteils 10 des Rakentenantriebs 12 sich radial nach innen von den Baugruppen 24, 26 um eine Distanz erstreckt, die im wesentlichen gleich der Dicke des Rings 38 ist. Der Zweck der Bereitstellung dieser inneren Umfangswand bündig mit der inneren Umfangsfläche des Rings ist, sicherzustellen, dar eine Anschlagfläche vorgesehen wird, welche die Bewegung der Segmente nach außen während des Öffnens der Scheibe stoppt, bevor sich die Segmente soweit biegen können, daß sie von der Scheibe wegbrechen. Ein solches vorzeitiges Wegbrechen der Segmente in der Baueinheit würde die Gefahr schaffen, daß die Düse des Antriebs durch die Segmentsplitter verstopft wird und würde folglich die Möglichkeit, daß eine Explosion auftritt oder dafür, daß die Splitter eine unerwünschte Umleitung der Rakete verursachen, entstehen lassen. Durch Bereitstellen der Anschlagfläche können sich die Segmente nur weit genug öffnen, um ein zufriedenstellendes Abgeben der Verbrennungsprodukte bis zu einem solchen Zeitpunkt zu ermöglichen, zu dem die Segmente vollkommen von der Scheibe wegschmelzen. Es ist zu vermerken, daß obwohl die Wand des Raketenteils 10 die Anschlagfläche bei der veranschaulichten Ausführungsform bildet, der Ring auch als länglicher Röhrenabschnitt hergestellt sein könnte, derart, daß der Innenumfang des Rings als Anschlagfläche wirken würde.
Bei der zweiten, in Fig. 7 bis 9 einschließlich veranschaulichten Ausführungsform der Erfindung sind die grundlegenden Elemente dieselben, wie jene, die vorstehend beschrieben wurden, mit Ausnahme der Gestalt und Konfiguration der Öffnungen 152 in Verstärkungselement 136. Im Fall der zweiten Ausführungsform haben die Öffnungen 152 generell eine Dreiecksform, obwohl auch wieder zu vermerken ist, daß die Verschmelzungszonen der entsprechenden Zonen mit einem Radius versehen sind, um für einen sanften Übergang von jeder Fläche zur nächsten angrenzenden Fläche zu sorgen. Die ausgebauchten Teile 154 von Scheibe 134 sind ebenfalls so gestaltet, daß sie komplementär innerhalb entsprechender dreieckiger Öffnungen 152 aufgenommen werden.
Die in Fig. 10 und 11 gezeigte dritte Ausführungsform dieser Erfindung hat Bauelemente wie beschrieben, mit der Ausnahme, daß die Öffnungen 252 kreisförmig sind und die entsprechenden, domförmig gestalteten ausgebauchten Teile 254 von Scheibe 234 ebenfalls von generell keisförmiger Gestalt sind.
Um zu gewährleisten, dar Trennwände wie 24, 26 außerordentlich hohen Drücken gegen die Stirnseite von Scheibe 34 (oder 134, 234) widerstehen, die einem entsprechenden Verstärkungselement 36 (oder 136, 236) gegenüberliegt, muß das Verstärkungselement von ausreichender Festigkeit sein, um für eine angemessene Verstärkung für die Scheibe 34 zu sorgen. Tests haben demonstriert, daß für Raketenantriebe, die bei Raketenanwendungen zu verwenden sind, das Verhältnis der Dicke jeder Scheibe zur Dicke des Teils eines dazugehörigen Verstärkungselements, das diese trägt innerhalb des Bereichs von ungefähr 1 : 2 bis ungefähr 1 : 40 liegen sollte. Bessere Ergebnisse erhält man, wenn ein solches Verhältnis innerhalb des Bereichs von ungefähr 1 : 8 bis ungefähr 1 : 15 gehalten wird, wobei das beste Verhältnis ungefähr 1 : 10 ist. So sollte im Fall einer Scheibe 34 (134, 234), die einen Gesamtdurchmesser von ungefähr 4,826 cm (1,9 Zoll) und einen Durchmesser innerhalb des Rings 38 (138, 238). von ungefähr 4,445 cm (1,75 Zoll) hat und rostfreien Stahl verwendet, der eine Dicke von ungefähr 0,762 mm (0,030 Zoll) hat, die Dicke der Segmente 56 von Körper 46 von Verstärkungselement 36 (136, 236) ungefähr 7,11 mm (0,28 Zoll) sein.
In ähnlicher Weise sollte eine bevorzugte Beziehung zwischen der Dicke der Segmente 56 in bezug auf die Breite derselben zwischen angrenzenden Öffnungen 52 (152, 252) aufrechterhalten werden. Beste Ergebnisse hat man erhalten, wenn das Verhältnis der Breite der Segmente jedes Verstärkungselements 36 (136, 236) zwischen nebeneinanderliegenden Öffnungen 52 (152, 252) zur Dicke solcher Segmente innerhalb des Bereichs von ungefähr 0,5 : 1 bis zu ungefähr 1,5 : 1, wünschenswerter zwischen dem Bereich von ungefähr 0,7 : 1 bis zu ungefähr 1 : 1 und vorzugsweise bei ungefähr 0,8 : 1 gehalten wird.
Diese Werte treffen insbesondere auf einen rostfreien Stahl wie ASTM 631 (UNS-Bezeichnung S17700) zu, der eine Zusammensetzung von ungefähr 0,09 Kohlenstoff, 1,00 Mangan, 0,040 Phosphor, 0,030 Schwefel, 1,00 Silizium, 16,00 - 18,00 Chrom, 6,50 - 7,75 Nickel, 0,75 - 1,50 Aluminium und den Rest Eisen hat. Die Spezifikationen für rostfreien Stahl Typ 631 fordern auch, dar das Material durch Erwärmen des Materials auf ungefähr 1.750 ºF (954ºC) nicht weniger als 10 Minuten lang, aber nicht länger als 1 Stunde, gefolgt von einem raschen Abkühlen auf Raumtemperatur gehärtet und gealtert worden ist. Danach sollte das Material innerhalb von 24 Stunden auf -100 + 10 ºF (-73 ºC) gekühlt und dann auf jener Temperatur nicht weniger als 8 Stunden lang gehalten werden. Das Metall wird dann in Luft auf Raumtemperatur erwärmt, auf 950 ºF (510 ºC) erwärmt und 1 Stunde lang gehalten, wonach ein endgültiger Abkühlungsschritt ausgeführt wird. Wenn Stahl vom Typ 631 so behandelt wird, dann hat er eine Mindest-Zugfestigkeit von 185 ksi (1276 MPa), eine minimale Streckgrenze von 150 ksi (1034 MPa), eine Dehnung (Mindestprozente bei 2 Zoll oder 50 mm) von 6, eine minimale Flächenreduzierung von 10 Prozent, eine Mindest-Rockwell-C-Härte von 41 und eine Mindest- Brinellhärte von 388.
Um das Scheibentragvermögen des Verstärkungselements auf rechtzuerhalten, während die effektive Fläche der Öffnungen 52, (152, 252) erhöht wird, die der Treibmittelstufe 20 gegenüber geboten wird, ist jedes Segment 56 (156, 256) so ausgebildet, daß es einen T-förmigen Querschnitt derart definiert, wie in Fig. 4, 9 und 11 gezeigt, wobei ein oberes Querelement 57 (157, 257) jedes Segments 56 (156, 256) mit der Scheibe 34 (134, 234) in Berührung steht und ein nach oben stehender Teil 59 (159, 259) sich vom dein Querelement 57 (157, 257) nach außen in einer Richtung weg von der Scheibe 34 (134, 234) erstreckt. Durch Herstellen der Segmente 56 (156, 256) in dieser Gestalt wird die Festigkeit des Verstärkungselements im wesentlichen aufrechterhalten, während die Fläche der Öffnungen 52 (152, 252) an der Seite des Elements vergrößert wird, die an die Treibmittelstufe 20 angrenzt. Während des Zündens der Treibmittelstufen schmelzen die oberen Querschnittsteile der T-förmigen Segmente rasch von den Segmenten weg und gestatten, daß ein grobes Volumen an Verbrennungsprodukten fast sofort aus der Rakete entweicht. Diese Erhöhung bei der Fläche der Öffnungen reduziert weiterhin die Gefahr eines Druckaufbaus innerhalb des Antriebs über einen vorbestimmten Wert hinaus.
Es wird vermerkt, daß zusätzlich zur Lieferung der vorstehend erwähnten Vorteile die T-förmige Konstruktion der Segmente 56 (156, 256) auch das Gewicht des Antriebs reduziert, folglich die Rakete leichter zu transportieren macht. Obwohl die T-förmige Konstruktion der Segmente bei der bevorzugten Ausführungsform veranschaulicht wird, ist es möglich, auch andere Querschnittsformen für die Segmente zu verwenden, welche für eine zufriedenstellende Lagerung der Scheibe sorgen, während sie die effektive Fläche der Öffnungen vergrößern, die gegenüber der Treibmittelstufe 20 geboten wird und das Gewicht der Baueinheit herabsetzen.
Wie in Fig. 11 gezeigt, ist es auch möglich, Material von dem Körper 46 des Verstärkungselementes entlang des Umfangs jeder Öffnung 252 (52, 152) derart zu entfernen, daß jede Öffnung einen Scheibentragflansch 261 beinhaltet, der sich um den gesamten Umfang davon angrenzend an Fläche 250 des Elements 236 erstreckt. Durch Herstellen des Verstärkungselements in dieser Weise wird das Gewicht der Baueinheit 24 weiter reduziert, wodurch folglich das Gesamtgewicht des Raketenantriebs 12 herabgesetzt wird.
Die Scheibe 34 wird so vorgefertigt, daß sie sich dann öffnet, wenn Druck dagegen auf einer Seite davon, die an das Verstärkungselement 36 angrenzt, mit einem viel geringeren Wert aufgebracht wird, als er erforderlich ist, um die Scheibe in der entgegengesetzten Richtung durch einen Auslaß, wie beispielsweise Ring 38 zu brechen. Wenn beispielsweise die Trennwand 24 (26) so konstruiert ist, dar sie einen statischen Rückdruck von 34,5 - 69,0 MPa (5.000 - 10.000 psig) gegen die konkave vertiefte Seite davon aushält, dann sollte sich Bruchscheibe 34 unter einem Druck dagegen von nicht mehr als ungefähr 206,8 - 2757,9 kPa (30 bis 400 psi) und vorzugsweise im Bereich von 689,5 - 2068,4 kPa (100 bis 300 psi) vollständig öffnen. Um dieses Öffnen bei niedrigem Druck zu bewerkstelligen, wird das Kerben der Platte 40 in einer solchen Weise ausgeführt, daß das Aufbringen eines Vorwärtsdrucks gegen die Scheibe 34 durch das dazugehörige Verstärkungselement 36 bewirkt, daß die Scheibe leicht bricht, wobei sich die vier durch Kerblinien 42, 44 definierten Segmentflügeln öffnen, um eine volle Öffnung für das Durchtreten von Treibmittel-Verbrennungsprodukten durch dieselbe zu bieten. Die Abmessungen und Materialien von Scheibe und Verstärkungselement und die Tiefe, Anordnung und Länge von Kerblinien 42, 44 sollten vorzugsweise so gewählt werden, daß der auszuhaltende Rückdruck von einem Wert ist, der mindestens das 20-fache des Werts ist, bei welcher die Scheibe unter einem Vorwärtsdruck gegen die gegenüberliegende Seite derselben bricht.
Das für die Herstellung von Verstärkungselement 36 (136, 236) gewählte Material ist derart, daß dann, wenn sich die Scheibe 34 (134, 234) wie beschrieben nach Aufbringen eines Vorwärtsdrucks darauf durch das Verstärkungselement öffnet, die Segmente 56 (156, 256) verdampfen und leicht wegerodieren, wie in Fig. 6 dargestellt, um auf diese Weise einen freien Strom gasförmiger Verbrennungsprodukte durch die Trennwand 24 (26) nicht nennenswert zu behindern. Ein rostfreier Stahl der vorstehend vorgeschriebenen Zusammensetzung bietet diese erwünschte Eigenschaft, wenn die Trennwandkonstruktion bei einer Anwendung in einem Hochdruck-Raketenantrieb eingesetzt wird.
Es ist besonders wichtig, daß die Scheibe 34 an dem Verstärkungselement 36 in einer solchen Art und Weise befestigt wird, daß gasförmige Verbrennungsprodukte durch das Zünden und Abbrennen eines Treibmittels eine Trennwand 24, 26 nicht um den Umfang der Scheibe herum dort umgehen können, wo sie mit dem Verstärkungselement zusammenstößt und daß die Scheibenplatte 40 (140, 240) in flachem Eingriff mit der Seite 56 (156, 256) eines entsprechenden Verstärkungselements 36 (136, 236) ist. Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist in dieser Beziehung die Tatsache, daß die äußere ringförmige Fläche von Körper 46 von Verstärkungselement 36 (und auch der anderen Ausführungsformen der Erfindung, wie sie in Fig. 7 bis 11 einschließlich abgebildet sind) mit Gewinde versehen ist, damit es durch Einschrauben in den Mantel 14 eines Rakentenantriebs 10 montiert werden kann. Diese Schraubverbindung schließt ein Lecken heiter Verbrennungsprodukte aus, die die Sperre passieren, die durch eine entsprechende Trennwand 24, 26 gebildet wird.

Claims

1. Bruchscheiben-Trennwandkonstruktion für die Verwendung in einem mehrstufigen Raketenantrieb, der einen Mantel (14) aufweist, der mit einer Abgabeöffnung (16) für gasförmige Verbrennungsprodukte versehen ist und eine Vielzahl von Treibmittelstufen (18, 20, 22) hat, die so angepaßt sind, dar sie nacheinander, beginnend mit der Stufe (18), die der Abgabeöffnung (16) am nächsten liegt, gezündet werden können, wobei diese Trennwandkonstruktion eine im wesentlichen flache Bruchscheibe ohne Öffnung (34), die eine erste und eine zweite Scheibenseite aufweist und so angepaßt ist, dar sie in dem Mantel zwischen jedem aneinandergrenzenden Paar der Treibmittelstufen und diese vollkommen voneinander trennend montiert werden können und ein mit einer Vielzahl von Öffnungen versehenes Verstärkungselement (36) aufweist, das in flachem Eingriff mit der Seite jeder Scheibe (34) steht, die der zweiten Seite dieser Scheibe gegenüberliegt, die nicht in direktem Kontakt mit einer angrenzenden Treibmittelstufe ist, die zuletzt gezündet worden ist, wobei das Verstärkungselement (36) eine Vielzahl von Armsegmenten (56) beinhaltet, welche zumindest teilweise die Öffnungen (52) in dem Element definieren, wobei jede dieser Scheiben (34) mit einer Vielzahl von sich radial erstreckenden Sollbruchlinien (42, 44) in der zweiten Seite mit einer Tiefe versehen ist, die ausreicht, um ein Brechen jener Scheibe bei einem vorab gewählten Druck in einer Richtung weg von dem Verstärkungselement (36) zu verursachen, welches in stützendem Eingriff mit der Scheibe ist, wobei jede Sollbruchlinie mit einem der Armsegmente (56) des Verstärkungselements so fluchtet, daß die Scheibe in der Lage ist, einen Druck dagegen ohne Brechen während des Zündens und Abbrennen der letzten zu zündenden Treibmittelstufe auszuhalten, aber dann bei einem viel geringeren Druck nach dem Zünden der Treibmittelstufen zu brechen, die dicht bei einem entsprechenden Verstärkungselement liegen, um einen freien Strom gasförmiger Treibmittel-Verbrennungsprodukte entlang einer Strömungsbahn, die sich durch die letztere Treibmittelstufe erstreckt, zu gestatten, dadurch gekennzeichnet, daß

jede Sollbruchlinie (42, 44) einen radialen äußeren Endpunkt beinhaltet, wobei die Scheibe weiterhin mit einer Nut (45) versehen ist, die in der zweiten Seite ausgebildet ist und jeden Endpunkt schneidet, dergestalt, daß dann, wenn die Scheibe bricht, die Scheibe sich im wesentlichen vollständig aus der Strömungsbahn der Treibmittel-Verbrennungsprodukte heraus durch Biegen entlang der Nuten bewegen kann.

2. Trennwandkonstruktion für einen mehrstufigen Raketenantrieb nach Anspruch 1, wobei die Sollbruchlinien (42, 44) ein Kreuz in der zweiten Seite jeder Scheibe bilden.

3. Trennwandkonstruktion für einen mehrstufigen Raketenantrieb nach Anspruch 2, wobei jede Scheibe ausgebauchte, eine Vertiefung definierende Teile (54) beinhaltet, die sich in die Öffnungen (52) des Verstärkungselements hinein erstrecken, wobei das Ausbauchen der Teile unter einem Druck ausgeführt worden ist, welcher den auszuhaltenden Druck überschreitet, der für die Scheibe gegen die Seite davon vorgeschrieben ist, die dem Verstärkungselement gegenüberliegt, so daß eine nennenswerte Deformation der Scheibe in die Öffnungen des Verstärkungselementes während eines Zündens und Abbrennens der Treibmittelstufe auf der Seite der Scheibe ausgeschlossen wird, die einem entsprechenden Verstärkungselement gegenüberliegt.

4. Trennwandkonstruktion für einen mehrstufigen Raketenantrieb nach Anspruch 3, wobei die die Ausbauchung definierenden Teile (54) jeder Scheibe jeweils so gestaltet sind, dar sie im wesentlichen mit der Form der Öffnung (52) in dem Verstärkungselement übereinstimmen, die mit einem entsprechenden ausgebauchten Teil fluchtet.

5. Trennwandkonstruktion für einen mehrstufigen Raketenantrieb nach Anspruch 4, wobei die die Ausbauchung definierenden Teile (54) jeder Scheibe von generell konkav-konvexer Gestalt sind.

6. Trennwandkonstruktion für einen mehrstufigen Raketenantrieb nach Anspruch 1, wobei das Verstärkungselement (36) aus einem solchen Material, von einer solchen Gestalt und Dicke ist, daß der innere Teil davon, der zumindest einen Teil der Öffnungen (52) darin definiert, während eines Strömens gasförmiger Treibmittel-Verbrennungsprodukte durch das entsprechende Verstärkungselement und die dazugehörige Scheibe verdampfen und erodieren.

7. Trennwandkonstruktion für einen mehrstufigen Raketenantrieb nach Anspruch 1, wobei die Scheibe (34) fest an einem dazugehörigen Verstärkungselement angebracht ist, was ein Durchtreten gasförmiger Treibmittel-Verbrennungsprodukte zwischen jeder Scheibe und deren Verstärkungselement um deren Umfang herum ausschließt.

8. Trennwandkonstruktion für einen mehrstufigen Raketenantrieb nach Anspruch 3, wobei die Öffnungen (52) in dem Verstärkungselement und die eine Ausbauchung definierenden Teile (54) der Scheibe, die darin aufgenommen werden, eine generell rechteckige Querschnittsgestalt haben und symmetrisch um die Achse der Scheibe angeordnet sind.

9. Trennwandkonstruktion für einen mehrstufigen Raketenantrieb nach Anspruch 3, wobei die Öffnungen (52) in dem Verstärkungselement und die eine Ausbauchung definierenden Teile (54) der Scheibe, die darin aufgenommen werden, eine generell dreieckige Querschnittsgestalt haben und symmetrisch um die Achse der Scheibe angeordnet sind.

10. Trennwandkonstruktion für einen mehrstufigen Raketenantrieb nach Anspruch 3, wobei die Öffnungen (52) in dem Verstärkungselement und die eine Ausbauchung definierenden Teile (54) der Scheibe, die darin aufgenommen werden, eine generell kreisförmige Querschnittsgestalt haben und symmetrisch um die Achse der Scheibe angeordnet sind.

11. Trennwandkonstruktion für einen mehrstufigen Raketenantrieb nach Anspruch 3, wobei jede Scheibe (34) in der Lage ist, einen Druck dagegen in einer Richtung von einem Wert auszuhalten, welcher den Druck, bei dem die Scheibe in der anderen Richtung bricht, um ungefähr das 20-fache überschreitet.

12. Trennwandkonstruktion für einen mehrstufigen Raketenantrieb nach Anspruch 3, wobei die Scheibe (34), durch das Verstärkungselement (36) verstärkt, in der Lage ist, einen Rückdruck dagegen über 13,79 MPa (2000 psi) hinaus auszuhalten und sich unter einem Vorwärtsdruck in der entgegengesetzten Richtung mit einem Druck von weniger als ungefähr 2758 kPa (400 psi) zu öffnen.

13. Trennwandkonstruktion für einen mehrstufigen Raketenantrieb nach Anspruch 3, wobei die Scheibe (34), durch das Verstärkungselement (36) verstärkt, in der Lage ist, einen Rückdruck dagegen im Bereich von 34,5 - 69,0 MPa (statischer Druck von 5.000 bis 10.000 psi) auszuhalten und sich unter einem Vorwärtsdruck in der entgegengesetzten Richtung innerhalb des Bereichs von ungefähr 689,5 - 2758 kPa (100 bis 400 psi statisch) zu öffnen.