DE69720903T2

DE69720903T2 - Raketendüse mit abwerfbarem Einsatz

Info

Publication number: DE69720903T2
Application number: DE69720903T
Authority: DE
Inventors: Joseph B. Gastal
Original assignee: Societe Nationale dEtude et de Construction de Moteurs dAviation SNECMA; SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1996-10-11
Filing date: 1997-10-08
Publication date: 2004-02-26
Anticipated expiration: 2017-10-09
Also published as: FR2754566A1; EP0836001A1; FR2754566B1; DE69720903D1; JP4080577B2; EP0836001B1; US5894723A; JPH10122048A

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Raketendüse, insbesondere für die erste Trägerstufe, aufweisend einen konvergenten Teil, der die in einer Brennkammer erzeugten heißen Gase aufnimmt, einen Düsenhals mit verringertem Querschnitt und eine Expansionsdüse, die sich an den Düsenhals anschließt und an ihrem Niederdruck-seitigen Bereich mit einem Gasaustrittsquerschnitt, der ein erhöhtes Querschnittsverhältnis definiert, endet, wobei die Expansionsdüse eine äußere Expansionsdüse, die mit dem Düsenhals verbunden ist, und mindestens eine innere Expansionsdüse, deren Austrittsquerschnitt kleiner ist als derjenige der äußeren Expansionsdüse und die in die äußere Expansionsdüse eingefügt ist und mit dieser verbunden ist durch Verbindungsmittel, denen Mittel zur selektiven Zerstörung der Verbindungsmittel beigeordnet sind, um eine Abtrennung und einen Abwurf der inneren Expansionsdüse zu einem vorbestimmten Betriebszeitpunkt der Brennkammer, der einer vorbestimmten Höhe der Rakete entspricht, zu erlauben, aufweist.
Stand der Technik
Es wurden bereits verschiedene Lösungen im Hinblick darauf vorgeschlagen, die Geometrie einer Raketen-Expansionsdüse für die erste Trägerstufe zu modifizieren, um die Anpassung der Expansionsdüse an die variablen Umgebungsbedingungen des Flugs zu verwirklichen.
Man weiß tatsächlich, dass die genaue Anpassung einer Düse für einen gegebenen Leistungsbereich nur bei einer einzigen Höhe, die einem bestimmten Umgebungsdruck entspricht, erhalten werden kann. Die Düsen sind im Allgemeinen in Abhängigkeit von den Gesamtleistungen der Stufe optimiert, was die meiste Zeit zu überentspannten Düsen führt, deren Schubwirkung bei einer relativ großen Höhe, d.h. der Anpassungshöhe, maximal sein wird. Bei der Anpassungshöhe wird der statische Druck der Gase Pe im Austrittsquerschnitt der Düse im Wesentlichen gleich dem Umgebungsdruck Pa, der relativ gering ist. Die Anpassungshöhe kann beispielsweise 10 km über dem Boden liegen. Für die gesamte Flugphase vom Boden bis zur Anpassungshöhe ist der statische Druck der Gase Pe im Austrittsquerschnitt der Düse sehr wesentlich unterhalb dem Umgebungsdruck. In dieser Phase, während der die Düse überentspannt ist, und besonders beim Anlaufen, wo der Umgebungsdruck Pa dem Atmosphärendruck auf Bodenhöhe entspricht, ereignet sich ein Ablösungsphänomen des Strahls bezüglich der Wand der Düse, was Instabilitäten des Strahls und Störungen (Vibrationen, aeroelastische Kopplung, seitliche Belastungskräfte) mit sich bringt, die im Entwurfstadium die Leistungssteigerung durch das einzige Querschnittsverhältnis begrenzen.
Um das Ablösephänomen des Strahls zu vermeiden, wurde bereits vorgeschlagen, insbesondere in den Schriften FR-A-2 568 316 und FR-A-2 457 390, Düsen mit variabler Geometrie herzustellen, aufweisend eine erste Expansionsdüse von relativ geringer Länge und geringem Austrittsquerschnitt, die in einer ersten Flugphase ausgehend vom Boden verwendet wird, und ein oder mehrere Düsen-Teilstücke, die sich Niederdruck-seitig von der ersten Düse an diese anschließen, um sie unter Erzeugung eines größeren Austrittsquerschnitts zu verlängern, wenn die Rakete eine gewisse Höhe erreicht hat, in der der Umgebungsdruck verringert ist. Derartige Düsen-Typen mit ausbreitbarer Expansionsdüse erlauben es, die Anpassung der Rakete an unterschiedliche Flugphasen zu verbessern, bringen aber gleichermaßen eine Steigerung der Komplexität der Herstellung, der Kosten und der an Bord befindlichen Masse mit sich und garantieren nicht immer eine ausreichende Betriebssicherheit unter Berücksichtigung der Zerbrechlichkeit der Ausbreitungsmechanismen und der Schwierigkeit, eine korrekte Ausrichtung der verschiedenen Düsen-Teilstücke in Anwesenheit der Belastungen der Wiederanhaftung des Strahls an den Teilstücken zu verwirklichen.
Die Verwendung einer ausbreitbaren Expansionsdüse bei einer Rakete bringt auch, außer den mit den Ausbreitungssystem verbundenen Problemen, Zwänge auf der Ebene der Antriebsbauart mit sich.
Es ist noch bekannt, insbesondere durch die Schriften US-A-3 925 982 oder FR-A-2 618 488, eine Expansionsdüse mit festem Querschnitt, deren relativ großer Austrittsquerschnitt den Betrieb in der Höhe in einer Umgebung mit geringem Außendruck optimiert, zu verwenden und Mittel zur Stabilisierung der Ablösung des Gasstrahls bezüglich der Wand der Expansionsdüse in einem bestimmten Abstand von dem Austrittsquerschnitt beim Anlaufen und in einer ersten Flugphase in geringer Höhe aufzubieten. Bis jetzt wurde jedoch vorgeschlagen, die Ablösung des Strahls im Wesentlichen mit Hilfe eines ringförmigen Einspritzens von Fluid quer über die Wand zu stabilisieren. Die Notwendigkeit, ein Fluid zu verwenden und sein Einspritzen ins Innere der Expansionsdüse zu regeln, erhöht die Komplexität des Systems und neigt dazu, seine Zuverlässigkeit zu verringern.
Es wurde noch vorgeschlagen, beispielsweise in der Schrift FR-A-2 503 794, beim Anlaufen und in geringer Höhe eine Expansionsdüse zu verwenden, deren Austrittsquerschnitt verringert ist und die im Inneren einer Expansionsdüse, die einen größeren Austrittsquerschnitt aufweist, eingebaut ist. Wenn die Rakete eine solche Höhe erreicht hat, dass die Expansionsdüse mit größerem Austrittsquerschnitt ohne Ablöserisiko des Strahls arbeiten kann, wird die innere Expansionsdüse mit verringertem Querschnitt abgetrennt und abgeworfen.
Ein derartiges Anpassungssystem einer Raketendüse mit dünnwandigem Einsatz im Anschluss an die Wand einer äußeren Expansionsdüse weist Schwierigkeiten bei der Herstellung und beim Inbetriebetzen auf. Insbesondere beim Ausstoßen des dünnwandigen Einsatzes hat dieser Letztere eine Tendenz zu kippen und sich seitlich zu verschieben, woraus sich ein Risiko eines Stoßes auf die äußere Expansionsdüse und einer Störung der Bewegung der Trägerrakete ergibt. Bei einer derartigen Konfigurierung übertragen die Strömungsdrücke zwischen Expansionsdüse und Einsatz beträchtliche Belastungskräfte auf die Konstruktion der Expansionsdüse dergestalt, dass diese verstärkt und daher schwerer gemacht werden muss. Die Trägerrakete wird also weniger leistungsfähig.
Aufgabe und knappe Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung trachtet danach, die vorgenannten Nachteile zu beheben und eine gute Anpassung einer Raketendüse an unterschiedliche Flugbedingungen vom Boden bis zu einer Höhe, in der der Umgebungsdruck verringert ist, zu erlauben ohne Aufbietung eines Ausbreitungsmechanismus von Düsenverlängerungsteilen oder eines Fluid-Einspritzsystems und mit der Garantie, dass die Flugbahn der Trägerrakete und ihre Stabilität nicht durch die verschiedenen Wandlungen der Geometrie der Düse beeinträchtigt werden.
Die Erfindung zielt insbesondere darauf ab, einer Raketendüse ein gutes Ausmaß von Anpassbarkeit mit einer zufrieden stellenden Gesamtleistungsfähigkeit zu verleihen, während sie eine Einfachheit der Herstellung und des Betriebs bietet.
Die Endung zielt noch darauf ab, die seitlichen Belastungskräfte auf die Düse während deren Zündung zu verringern.
Diese Ziele werden erreicht Dank einer Raketendüse, insbesondere für die erste Trägerstufe, aufweisend einen konvergenten Teil, der die in einer Brennkammer erzeugten heißen Gase aufnimmt, einen Düsenhals mit verringertem Querschnitt und eine Expansionsdüse, die sich an den Düsenhals anschließt und an ihrem Niederdruck-seitigen Bereich mit einem Gasaustrittsquerschnitt, der ein erhöhtes Querschnittsverhältnis definiert, endet, wobei die Expansionsdüse eine äußere Expansionsdüse, die mit dem Düsenhals verbunden ist, und mindestens eine innere Expansionsdüse, deren Austrittsquerschnitt kleiner ist als derjenige der äußeren Expansionsdüse und die in die äußere Expansionsdüse eingefügt ist und mit dieser verbunden ist durch Verbindungsmittel, denen Mittel zur selektiven Zerstörung der Verbindungsmittel beigeordnet sind, um eine Abtrennung und einen Abwurf der inneren Expansionsdüse zu einem vorbestimmten Betriebszeitpunkt der Brennkammer, der einer vorbestimmten Höhe der Rakete entspricht, zu erlauben, aufweist, wobei die innere Expansionsdüse mindestens einen ersten Einsatz, der im Inneren der äußeren Expansionsdüse in zu ihr konzentrischer Weise und dergestalt angebracht ist, dass er die äußere Expansionsdüse während der Übergangsphasen des Anlaufens oder des Ausstoßens der inneren Expansionsdüse versteift, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Einsatz ein zelliges Füllmaterial, dem eine Versteifungsstruktur und ein hitzebeständiges Material, das die Innenwand des ersten Einsatzes, die den in der Brennkammer erzeugten heißen Gasen ausgesetzt ist, definiert, beigeordnet sind, dergestalt, dass die mittlere Dichte des ersten Einsatzes zwischen etwa 0,2 und 0,4 liegt, aufweist, und dadurch, dass Druckbegrenzungsmittel zwischen den ersten Einsatz und die äußere Expansionsdüse eingefügt sind, um die auf die äußere Expansionsdüse übertragenen Belastungskräfte zu begrenzen, und dadurch, dass der erste Einsatz an der äußeren Expansionsdüse durch steife Befestigungsmittel, denen Mittel zum selektiven Abtrennen beigeordnet sind, befestigt ist.
Die Düse, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, erlaubt es, die Leistung der Stufen einer Trägerrakete, die auf Bodenniveau oder in den tiefen Schichten der Atmosphäre gestartet wurde und im Vakuum des Weltraums arbeiten muss, zu steigern.
Die erfindungsgemäße Düse kann eine klassische, von einem dünnen Rumpf gebildete, äußere Expansionsdüse aufweisen, die bis zum maximalen Querschnittsverhältnis ε, das durch den Masse-Schub-Austauschwert der betrachteten Stufe bestimmt wird, für das Vakuum optimiert ist.
Beim Betrieb auf dem Boden oder in den dichten Schichten der Atmosphäre erlaubt es das System der inneren Expansionsdüse mit Einsätzen, das Querschnittsverhältnis auf einen Wert anzupassen, der die seitlichen Belastungskräfte bei der Zündung verringert und jede störende Wirkung, die durch die Strahl-Ablösung bedingt ist, beseitigt.
Dank des Vorhandenseins einer inneren Expansionsdüse, die mindestens einen inneren Einsatz geringer Dichte, der in der Phase des atmosphärischen Flugs eine Verstärkung sicherstellt, aufweist, kann die äußere Expansionsdüse die Gestalt einer dünnen Konstruktion beibehalten, was dazu beiträgt, einen Gewinn an Masse für den Betrieb im Vakuum sicherzustellen.
Die Wirkung der Druckbegrenzung, die durch eine mehr oder weniger perfekte Dichtwirkung verwirklicht werden kann, verhindert, dass sich der Hochdruckseitige Druck zwischen den inneren Einsätzen und der Wand der äußeren Expansionsdüse aufbaut, was zur Begrenzung der auf den Rumpf der äußeren Expansionsdüse übertragenen Belastungskräfte und zur Minimierung der Masse der Gesamtheit der Konstruktion führt.
Die Erfindung ist durch ihre Modulbauweise insbesondere bei vorhandenen Antrieben, deren Leistungen man verbessern will, anwendbar.
Der erste Einsatz kann eine zylindrische oder profilierte Innenwand aufweisen.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung, die es erlaubt, die Optimierung der Düse zu steigern, weist die innere Expansionsdüse einen Satz von mehreren ausstoßbaren konzentrischen Einsätzen auf, wobei jeder Einsatz ein zelliges Füllmaterial, dem eine. Versteifungsstruktur und ein hitzebeständiges Material, das die Innenwand jedes Einsatzes, die den in der Brennkammer erzeugten heißen Gasen ausgesetzt ist, definiert, beigeordnet sind, dergestalt, dass die mittlere Dichte jedes Einsatzes zwischen etwa 0,2 und 0,4 liegt, aufweist, und die verschiedenen Einsätze sind miteinander verbunden durch steife Befestigungsmittel, denen Mittel zum selektiven Abtrennen beigeordnet sind, und zwischen jedem Einsatz und der äußeren Expansionsdüse sind Druckbegrenzungsmittel eingefügt, um die auf die äußere Expansionsdüse übertragenen Belastungskräfte zu begrenzen, und die einander gegenüber liegenden Wände zweier benachbarter konzentrischer Einsätze besitzen im Wesentlichen zylindrische Bereiche, die voneinander durch einen ringförmigen Spielraum, in dem mindestens drei Längs-Gleitschienen, die ein Gleiten des inneren Einsatzes bezüglich des benachbarten äußeren Einsatzes ohne Verklemmungsrisiko erlauben, angebracht sind, getrennt sind.
Jeder der ausstoßbaren konzentrischen Einsätze besitzt eine im Wesentlichen, zylindrische Innenwand.
Die in konzentrischer Weise ineinander gefügten Einsätze werden im Lauf des Flugs nacheinander ausgestoßen, entweder stufenweise, um die Düse fortschreitend an die Höhe anzupassen und die Leistung zu optimieren, oder in quasi augenblicklicher Weise, beispielsweise alle 500 ms, sobald die Expansionsdüse ohne Ablösungsrisiko arbeiten kann.
Die Anzahl an Einsätzen, die größer als zwei sein kann, wird bestimmt in Abhängigkeit von den Anpassungen des Querschnittsverhältnisses, die durch einen Vergleich der Kosten und der Leistungen als wirtschaftlich erachtet werden, und von der Notwendigkeit, den Ausstoß jedes Teils zu meistern. Eine minimale zylindrische Führung ist tatsächlich notwendig, und die Grenzhöhe des letzten ausgestoßenen Einsatzes wird durch die Vermeidung des Kipprisikos bestimmt.
Wie in dem Fall einer inneren Expansionsdüse mit einem einzigen Einsatz haben die in konzentrischer Weise angeordneten Mehrfach-Einsätze Anteil an der Versteifung der äußeren Expansionsdüse während der Übergangsphasen des Anlaufens oder des Ausstoßens, was es erlaubt, die Masse dieser äußeren Expansionsdüse für den Betrieb im Vakuum zu verringern.
Die Geometrie des Innengangs, die von der Form und der Anordnung der Einsätze gebildet wird, ermöglicht einen stabilen und bekannten aerodynamischen Betrieb, der bei der Zündung am Boden ebenso gut ist wie bei den aufeinander folgenden Phasen des Ausstoßens, während die Herstellung vereinfacht wird. Daher ist es nicht notwendig, für die Einstellung und das Geeignetmachen kostspielige Höhensimulationseinrichtungen zu Hilfe zu nehmen.
Es wird angemerkt, dass die Mechanismen zur Trennung und zum Ausstoßen der Einsätze an Einrichtungen im verkleinerten Maßstab oder unter Bodenhöhe-Bedingungen bestimmbar sind, da diese Mechanismen von der Gesamtheit des Triebwerks entkoppelt und getrennt berechenbar sind.
Die Vorrichtung gegen Verklemmung und zur Führung, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung in Betrieb genommen wird, verhindert die Störungen wie Stöße oder Schwankungen der Einsätze, die bei den Ausstoßvorgängen unter der Wirkung des stromaufseitigen Drucks auftreten könnten. Überdies können die Einsätze, sobald sie steif miteinander verbunden sind der sehr hohen Schwingungsbelastung, die in den leistungsstarken Triebwerken herrscht, standhalten.
Pyrotechnische Vorrichtungen zur Trennung oder Abtrennung und zur Einleitung erlauben es, die Trennung der ausstoßbaren Einsätze und die Einleitung ihrer Bewegung zu bewirken, wobei die Einsätze dann natürlich durch den stromaufseitigen Druck ausgestoßen werden.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform weist die innere Expansionsdüse außerdem einen Hilfseinsatz auf, der mit dem innersten Einsatz konzentrisch ist, der im Inneren dieses innersten Einsatzes angebracht ist, indem er an diesem befestigt ist durch steife Befestigungsmittel, denen Mittel zum selektiven Abtrennen beigeordnet sind, der Hilfseinsatz weist ein zelliges Füllmaterial auf, dem eine Versteifungsstruktur und ein hitzebeständiges Material, das die profilierte Innenwand des Hilfseinsatzes definiert, die den in der Brennkammer erzeugten heißen Gasen ausgesetzt ist, beigeordnet sind, dergestalt, dass die mittlere Dichte des Hilfseinsatzes zwischen etwa 0,2 und 0,4 liegt, sind Druckbegrenzungsmittel zwischen dem Hilfseinsatz und der äußeren Expansionsdüse eingefügt, besitzen die einander gegenüber liegenden Wände des innersten Einsatzes und des Hilfseinsatzes im Wesentlichen zylindrische Bereiche, die voneinander durch einen ringförmigen Spielraum, in dem mindestens drei Längs-Gleitschienen angebracht sind, die ein Gleiten des Hilfseinsatzes bezüglich des innersten Einsatzes ohne Verklemmungsrisiko erlauben, getrennt sind, und der Hilfseinsatz erstreckt sich nur über einen oberen Bruchteil der Innenwand des innersten Einsatzes.
Der Hilfseinsatz erlaubt es, die ursprüngliche Innenwand zu profilieren, um unter Verbesserung der Kontinuität mit dem Düsenhals die Leistung auf das Maximum zu optimieren.
Wenn der Satz der Einsätze an Ort und Stelle ist, begrenzen sie eine erweiterbare Innenkontur, was es erlaubt, die Strömungseigenschaften der ausgestoßenen Gase zu verbessern. Dank der toroidalen Gestalt dieser Einsätze und der Anwesenheit von Führungs-Gleitschienen wird die Herstellung vereinfacht, die mechanische Steifheit gesteigert und wird durch den Ausstoß eines Einsatzes keinerlei Störung verursacht. Die zylindrische Einfügung der Einsätze in Verbindung mit dem Vorhandensein einer kleinen Anzahl von Führungs-Gleitschienen, die eine Vorrichtung gegen Verklemmung bilden, mit dem Spiel zwischen den Einsätzen tragen dazu bei, jegliches Kippen oder Verschieben eines Einsatzes bei seinem Ausstoß zu vermeiden und garantieren dadurch, dass die äußere Expansionsdüse nicht beschädigt wird.
Die Druckbegrenzungsmittel können auf verschiedene Arten, die verschiedenen Ausführungsvarianten entsprechen, ausgeführt sein.
Gemäß einer ersten Variante weisen die Druckbegrenzungsmittel eine Kohlenstoff-Filzmatte auf, die es erlaubt, die radialen Verformungen der äußeren Expansionsdüse und der inneren Expansionsdüse im Betrieb zu absorbieren..
Gemäß einer zweiten Variante weisen die Druckbegrenzungsmittel eine Matte aus nachgiebigem Elastomer auf, die an ihrer der äußeren Expansionsdüse zugewandten Seite mit Rillen ausgestattet ist.
Gemäß einer dritten Variante weisen die Druckbegrenzungsmittel mindestens eine wulstförmige elastomere Dichtung vom Silicon-Typ auf.
Gemäß einer vierten Variante weisen die Druckbegrenzungsmittel Dichtungen in Form von teilweise dichten Kolbenringen auf, um Lastabbau zu erzeugen und ein Einhalten des Spiels sicherzustellen.
Das zellige Füllmaterial weist beispielsweise Verbundmaterialien auf, die eine zellige Wabenstruktur besitzen oder in Form eines mit Mikroballons beladenen Harzes vorgesehen sind.
Das hitzebeständige Material weist ein Material auf, das abhängig von der Zeitdauer, während der es den in der Brennkammer erzeugten heißen Gasen ausgesetzt ist, ausgewählt ist aus Phenol-Kieselerde, Phenol-Kohlenstoff, einem Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundmaterial und einem Kohlenstoff-Siliciumcarbid-Verbundmaterial.
Vorteilhafterweise weist die Düse zentrale elektrische Betätigungsmittel zum Auslösen der Mittel zum selektiven Abtrennen und pyrotechnische Zeitrelais auf, die den Mitteln zum selektiven Abtrennen beigeordnet sind, um den Kaskadenausstoß der Einsätze ausgehend von dem innersten Einsatz oder ggf. von dem Hilfseinsatz hervorzurufen.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform besitzt der erste Einsatz an seinem unteren Bereich eine steife Platte, die am Rand einen Flansch zur Anfügung an einen entsprechenden Flansch, der am unteren Umfangsbereich der äußeren Expansionsdüse ausgeführt ist, definiert, und sind pyrotechnische Mittel vorgesehen, um in selektiver Weise den Bruch der Verbindungsmitel der Flansche hervorzurufen.
Gemäß einem besonderen Merkmal weisen die Verbindungsmittel Sprengschrauben mit pyrotechnischen Ladungen, die benachbarte Einsätze aneinander befestigen, auf.
Gemäß einem anderen besonderen Merkmal weisen wenigstens gewisse der Verbindungsmittel, denen Mittel zur selektiven Zerstörung der Verbindungsmittel beigeordnet sind, pyrotechnische Ladungen auf, die in Hohlräumen, die in den Einsätzen der äußeren Expansionsdüse benachbart vorgesehen sind; angebracht sind, um Gase mäßiger Hitze zu erzeugen, um bei ihrer Zündung ein Ablösen der Einsätze bezüglich der äußeren Expansionsdüse sicherzustellen.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform weist mindestens ein Einsatz ein einklappbares Mittel auf, dessen Ausbreitung pyrotechnisch oder durch Federn, die mittels pyrotechnischer Trennvorrichtungen freigegeben werden, dergestalt sichergestellt wird, dass sich das einklappbare Mittel beim Ausstoß dieses Einsatzes selektiv vorspringend quer in den Strahl der aus der Brennkammer kommenden heißen Gase erstrecken kann, um dessen Ausbringen zu erleichtern.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung beispielhaft angegebener besonderer Ausführungsformen hervorgehen, wobei auf die angefügten Zeichnungen Bezug genommen wird, in denen:
1 eine schematische Ansicht im Halbschnitt in axialer Richtung eines Beispiels für eine Expansionsdüse einer erfindungsgemäßen Düse, die zwei Haupteinsätze und einen zusätzlichen Einsatz besitzt, ist;
2 eine schematische Ansicht im Schnitt in axialer Richtung einer Raketendüse, die eine erfindungsgemäß mit einem Satz von Einsätzen ausgestattete Expansionsdüse aufweist, ist;
3 und 4 schematische Ansichten im Halbschnitt in axialer Richtung sind, die zwei aufeinander folgende Schritte eines Beispiels für einen Ausstoßvorgang eines inneren Einsatzes zeigen;
5 eine Ansicht der Expansionsdüse der 1 im Schnitt entlang der Ebene V-V der 1 ist und ein Beispiel für eine Vorrichtung gegen Verklemmung, die zwischen zwei Einsätzen angeordnet ist, zeigt;
6 eine Detailansicht ist, die Beispiele für Mittel zur Befestigung und zum Abtrennen der Einsätze bezüglich des Außenelements der Expansionsdüse zeigt;
7 und 8 zwei Detailansichten sind, die Beispiele für Befestigung und Abtrennung des unteren Umfangsbereichs eines ersten Einsatzes bezüglich des Außenelements der Expansionsdüse zeigen;
9 eine schematische Ansicht im Halbschnitt, in axialer Richtung eines Beispiels für eine Expansionsdüse einer erfindungsgemäßen Düse, die einen einzigen Haupteinsatz besitzt, ist;
10 eine Draufsicht, in stärker verkleinertem Maßstab, auf eine Expansionsdüse des in der 9 dargestellten Typs ist;
11 eine Detailansicht im Schnitt ist, die eine Befestigungsvariante mittels pyrotechnischer Schrauben der Expansionsdüse der 9 zeigt;
12 eine Teilansicht im Halbschnitt in axialer Richtung einer erfindungsgemäßen Expansionsdüse, die eine wulstförmige Dichtschnur zwischen einem Einsatz und der äußeren Expansionsdüse enthält, ist;
13 in einer zur 12 analogen Ansicht eine Ausführungsvariante, in der ein elastisches metallisches Bogenstück die wulstförmige Dichtschnur ersetzt, zeigt;
14 in einer zur Ansicht der 12 analogen Ansicht eine andere Ausführungsvariante zeigt, die eine geriffelte Matte aus nachgiebigem Elastomer zwischen einem Einsatz und der äußeren Expansionsdüse zur Anwendung bringt, um den auf diese äußere Expansionsdüse ausgeübten Druck zu begrenzen;
15 eine schematische Ansicht im Halbschnitt in axialer Richtung einer Expansionsdüse einer erfindungsgemäßen Düse, die zwei Haupteinsätze besitzt, die ausgestattet sind mit einer abtrennbaren Verbindungsvorrichtung zwischen den Einsätzen, die von den Vorrichtungen zum Ausstoßen dieser Einsätze entkoppelt ist, ist;
16 eine schematische Ansicht im Halbschnitt in axialer Richtung einer Expansionsdüse analog derjenigen der 15 ist, die aber eine Variante zur Ausführung der abtrennbaren Verbindungsvorrichtung zwischen den Einsätzen beinhaltet und die pyrotechnische Schrauben verwendet;
17 eine schematische Ansicht im Halbschnitt in axialer Richtung eines anderen Beispiels für eine Expansionsdüse einer erfindungsgemäßen Düse, die zwei Haupteinsätze besitzt, von denen der eine mit Einsatz-Ausstoßmitteln, die ein System mit schwenkbarer Klappe aufweisen, versehen ist, ist;
18 eine Explosionsansicht im Halbschnitt in axialer Richtung ist, die den Aufbau der in einer erfindungsgemäßen Düse verwendbaren Einsätze zeigt;
19 eine schematische Ansicht im Halbschnitt in axialer Richtung einer Expansionsdüse einer erfindungsgemäßen Düse, die mit einem System zum Nachstellen bei Verformungen zwischen einem Einsatz und dem Rumpf der äußeren Expansionsdüse ausgestattet ist, ist;
20 eine schematische Ansicht im Halbschnitt in axialer Richtung einer besonderen Ausführungsform einer Expansionsdüse einer erfindungsgemäßen Düse, die zwei Haupteinsätze mit einem profilierten inneren Einsatz besitzt, ist.
Detaillierte Beschreibung besonderer Ausführungsformen der Erfindung
In 2 wird in schematischer Weise eine Raketendüse dargestellt, die stromauf einen konvergenten Teil 3, der die in einer Brennkammer 4 erzeugten heißen Gase aufnimmt, einen Düsenhals 2, der einen Durchgangsquerschnitt So besitzt, und eine Expansionsdüse 10, die die Entspannung der heißen Gase stromab von dem Hals 2 und ihren Ausstoß in der Ebene des stromab gelegenen offenen Endes der Expansionsdüse, das in Abwesenheit von Einsätzen im Inneren der Expansionsdüse 10 einen Austrittsquerschnitt Se besitzt, sicherstellt, aufweist.
Das Querschnittsverhältnis ε zwischen dem Austrittsquerschnitt Se der Expansionsdüse und dem Durchgangsquerschnitt So der heißen Gase auf Höhe des Düsenhalses 2 definiert einen Ausdehnungsgrad. Das Ausdehungsverhältnis der Düse 1 wird tatsächlich definiert durch das Verhältnis zwischen dem Druck Po in der Brennkammer und dem statischen Druck der Gase Pe in dem Austrittsabschnitt der Düse, und das Ausdehungsverhältnis hängt direkt von dem Querschnittsverhältnis ε ab.
Man trachtet im Allgemeinen danach, das größtmögliche Ausdehnungsverhältnis, daher das größtmögliche Querschnittsverhältnis ε, zu haben, um eine beträchtliche Schubwirkung zu erhalten.
Wie es jedoch bereits angegeben wurde, ist die Schubwirkung nur maximal, wenn die Düse angepasst ist, d.h. wenn der statische Druck der Gase Pe in dem Austrittsabschnitt der Düse gleich dem Druck des umgebenden Milieus Pa ist.
Wenn die Düse für einen Betrieb in großer Höhe mit einem sehr geringen Umgebungsdruck Pa angepasst ist, ist die Düse auf Bodenhöhe, wo der statische Druck Pe der Gase in dem Austrittsabschnitt der Düse viel niedriger ist als der Umgebungsdruck Pa, der dann gleich 1 bar ist, überentspannt, und es er- gibt sich bei den traditionellen Expansionsdüsen ein Ablösungsphänomen des Strahls der heißen Gase bezüglich der Wand der Expansionsdüse 10. Dieses Ablösungsphänomen des Strahls kann wegen der Asymmetrien und der Instabilität der mechanischen Belastungen, die es an der Expansionsdüse herbei führt, zu Strukturverstärkungen führen, die die Masse dieser Strukturen in sich verbietender Weise steigern.
Deshalb wurde bereits vorgeschlagen, entweder ziemlich komplexe Mittel zur Anwendung zu bringen, um die Ablösung des Strahls mit Hilfe von Gas-Einspritzsystemen zu stabilisieren oder, allgemeiner, die Länge der Expansionsdüse und ihren Austrittsquerschnitt zu begrenzen, um das Phänomen der Ablösung des Strahls in geringer Höhe zu vermeiden. Dies hat einen Verlust an Schubwirkung in großer Höhe oder die Notwendigkeit, in großer Höhe Systeme zur Düsenerweiterung hinzu zu nehmen, die die Struktur des Ganzen stark komplizieren und sie zerbrechlich machen, zur Folge.
Die vorliegende Erfindung geht in einer anderen Weise vor, indem sie die Verwirklichung einer Raketendüse 1 einer ersten Trägerstufe sicherstellt, die durch ihre klassische äußere Expansionsdüse 10 für einen Betrieb in der Höhe optimiert ist und ein erhöhtes Querschnittsverhältnis ε(zwischen dem Austrittsquerschnitt Se und dem Halsquerschnitt So) besitzen kann. Um auf Bodenhöhe und in geringer Höhe einen korrekten Betrieb ohne signifikante Ablösung des Strahls zu erlauben, ist im Inneren der äußeren Expansionsdüse 10 ein Satz ausstoßbarer Einsätze 11, 12 angebracht, um zu Beginn einer Mission einen Austrittsquerschnitt Si, der ein Querschnittsverhältnis ε definiert, das dann gleich dem Verhältnis zwischen dem Austrittsquerschnitt Si und dem Durchgangsquerschnitt So auf Höhe des Halses 2 ist, zu definieren, dergestalt, dass das anfängliche Querschnittsverhältnis ε ausreichend gering ist und das Fehlen von Ablösung und von seitlichen Belastungskräften am Boden sicherstellt. Das anfängliche Querschnittsverhältnis ε kann auch zu Beginn einer Mission einen solchen Wert haben, dass er eine Ablösung des Strahls der heißen Gase in geringer Höhe vermeidet und gleichzeitig die seitlichen Belastungskräfte beim Anlaufen verringert. Als ein Beispiel, das anfängliche Querschnittsverhältnis ε kann, wenn die Expansionsdüse auf Bodenhöhe arbeiten muss, einen Wert von etwa 40 bis 45 für einen Kammerdruck von 100 × 10⁵ Pa haben, und das maximale Querschnittsverhältnis e, das bestimmt wird durch den Austauschwert Masse-Schubwirkung der für den Betrieb der Expansionsdüse im Vakuum gedachten Stufe, kann in der Größenordnung von 95 bis 100 sein.
Die elementaren Einsätze 13, 12, 11 werden, wenn vorbestimmte Höhen erreicht sind, nacheinander in Kaskade dergestalt ausgestoßen, dass in größeren Höhen, beispielsweise oberhalb 10 km, die Düse 1 nur mehr die einzige äußere Expansionsdüse 10 besitzt und ein erhöhtes Querschnittsverhältnis ε wieder erlangen kann, das eine gute Anpassung und als Folge einen Gewinn an Schubwirkung sicherstellt, wenn der Umgebungsdruck verringert ist.
Die Einsätze 13, 12, 11 werden auf pyrotechnische Abkopplung hin in gestaffelter Weise ausgestoßen. Es ist, anzumerken, dass ein einziger elektrischer Befehl genügen kann, wobei pyrotechnische Zeitrelais die Stufenfolge in der Ausstoßzeit sicherstellen. Je nach Optimierung können die gestaffelten Ausstöße der Einsätze 13, 12, 11 zeitlich zusammengedrängt sein, beispielsweise alle 500 ms, oder in gestaffelter Weise bewirkt werden. Die Anzahl an Einsätzen, die Festlegung ihrer Abtrennung für das Ausstoßen, ihre Geometrie und die Stufenfolge ihres Ausstoßes sind in Abhängigkeit von dem erwünschten Kompromiss zwischen der Leistung der Maschine, der Einfachheit der Herstellung und der Begrenzung der Masse angepasst.
Die Einsätze 11, 12, 13 einer erfindungsgemäßen Düse sind jedoch in einer Weise verwirklicht, dass die Nachteile der bestehenden Lösungen vermieden werden, indem eine kleine Expansionsdüse mit dünner Wand im Inneren einer Expansionsdüse von größerem Querschnitt zur Anwendung gebracht wird.
Ebenso wirken gemäß einem Aspekt der vorliegenden Endung die Einsätze 11, 12, 13 durch eine zylindrische Einfügung, die die Führung beim Ausstoß erleichtert, zusammen, und Dank eines Systems von Spiel und von Führungsgleitschienen wird jedes Verklemmungsrisiko bei einem Ausstoß vermieden.
Um die Gesamtmasse der Düse zu begrenzen, werden die Einsätze 11, 12, 13 mit Strukturen hergestellt, die es erlauben, Dichten in der Größenordnung von 0,2 bis 0,4, und bevorzugt zwischen 0,2 und 0,3, zu erhalten. Ebenso können die Einsätze 11, 12, 13 ein zelliges Füllmaterial 51 aufweisen, das von harten Verbundmaterialien, die eine zellige Wabenstruktur besitzen (beispielsweise aus Aluminium oder aus Verbundmaterial), gebildet wird oder von einem mit Mikroballons beladenen Harz gebildet wird. Dem zelligen Füllmaterial 51 ist eine Versteifungsstruktur 52, 55 beigeordnet (18). Die Versteifungsstruktur kann eine Schale 55 aus Blech oder aus Verbundmaterial (beispielsweise aus Epoxyglas oder aus Epoxykohlenstoff) aufweisen, ebenso wie ggf. Verstärkungsrippen 52, beispielsweise aus Metall oder Verbundmaterial, die es er- lauben, die Verformung unter Druck zu meistern. Gemäß einer möglichen Wahl können die Einsätze aus zwei Teilen aus dünnen Blechen hergestellt werden, die dann durch Kleben oder Schweißen zu einem Stück verbunden werden. Die Innenwände dieser Einsätze, die der Strömung der heißen Gase ausgesetzt sind, können selbst aus hitzebeständigem Material hergestellt sein, Beispielsweise vom Typ Phenol-Kieselerde, das ausreichend ist, um einen Kontakt mit den heißen Gasen während einer relativ geringen Zeitdauer, typischerweise unterhalb 100 s, auszuhalten, oder auch aus einem Material vom Typ Kohlenstoff-Siliciumcarbid hergestellt sein. Das obere Ende 54 jedes Einsatzes ist gleichfalls bevorzugt aus hitzebeständigem Material hergestellt. 18 zeigt Strukturbeispiele für einen inneren Einsatz 12 und einen zusätzlichen Einsatz 13, während 9 ein Beispiel für einen äußeren Einsatz 11 zeigt.
Die verschiedenen Einsätze 11, 12, 13 besitzen eine Rotationssymmetrie um die Achse der Düse und sind untereinander konzentrisch. Wie man in den 1 bis 4 und 15 bis 17 sehen kann, besitzen die einander gegenüber liegenden Wände zweier benachbarter Einsätze 11, 12 oder 12, 13 im Wesentlichen, zylindrische Bereiche, die Außenwand des äußeren Einsatzes 11 schmiegt sich an die äußere Expansionsdüse 10 an. Die Außenwand 122 des inneren Einsatzes 12 weist einen im Wesentlichen zylindrischen Bereich auf, der der Innenwand 111 des äußeren Einsatzes 11 entspricht. Der innere Einsatz 12 kann so bezüglich des äußeren Einsatzes 11 axial gleiten, wie es in den 3 und 4 gezeigt ist, wobei der äußere Einsatz 11 dann als Führung und als Verstärkung der äußeren Expansionsdüse 10 dient.
Um jedes Veklemmungsrisiko beim Ausstoßen eines Einsatzes zu vermeiden, sind die Einsätze 11, 12, ebenso wie die Einsätze 12, 13, voneinander durch einen ringförmigen Spielraum 41 getrennt. Dieser Spielraum erlaubt es, mögliche Verformungen der Einsätze 11, 12, 13 unter der Wirkung der von den heißen Gasen freigesetzten Wärme oder des Drucks, wobei sich beispielsweise die Innenwand 11 des Einsatzes 11 verformen kann, zu berücksichtigen. Die Führung des inneren Einsatzes 12 bei seinem Ausstoß kann mittels eines Satzes von mindestens drei Längs-Gleitschienen 61, 62, 63 in Gestalt von Rippen, beispielsweise von dreieckigem Querschnitt, verwirklicht werden (5). Unter der Maßgabe, dass sich der Kontakt zwischen den Einsätzen 11 und 12 auf drei Gleitschienen-Linien konzentriert, äußert sich eine Verformung der einen oder der anderen der einander gegenüber liegenden Wände der Einsätze 11, 12 einfach durch einen Biegeeffekt zwischen den Abstützungen, der keine Verklemmung erzeugt. Die mobilen und statischen Bereiche der Gleitschienen können aus einem speziellen Material sein (beispielsweise PTFE), um, die Reibungen zu minimieren.
Man kann anmerken, dass die äußere Expansionsdüse 10 wegen der Anwesenheit der Einsätze 11, 12 nicht verstärkt werden muss. Tatsächlich vermeidet die Zerlegung der Einsätze 11, 12 in mehrere Elemente, in Kombination mit den Dichtfunktionen 22 und 21, das Angreifen eines Kraftmoments oder einer axialen Belastungskraft, die sich verbieten, an der Wand der äußeren Expansionsdüse 10. Darüber hinaus haben der oder die Einsätze, die bei dem Ausstoß eines vorangehenden Einsatzes an Ort und Stelle bleiben, an der Verstärkung der Expansionsdüse Anteil.
Gewünschtenfalls kann man, um den geringen Leistungsverlust auf Grund einer von den Einsätzen 11, 12 erzeugten Diskontinuität während der Phase des anfänglichen Betriebs der Rakete auf Bodenhöhe zu begrenzen, wenn die Einsätzes 11 und 12 im Wesentlichen zylindrisch sind, einen zusätzlichen inneren Einsatz 13 hinzufügen (1 und 18), der, wie die anderen Einsätze 11, 12, eine Rotationssymmetrie besitzt, aber profiliert ist, um mittels seiner Innenwand 131 in einem Bereich stromauf von der dem Düsenhals benachbarten Expansionsdüse einen Gasdurchgangskanal von erweiterbarem Querschnitt, der sich fortschreitend vergrößert, zwischen dem Düsenhals 2 und der zylindrischen Innenwand 121 des Einsatzes 12 mit zylindrischen konzentrischen Wänden dergestalt zu definieren, dass der Bereich stromauf der äußeren Expansionsdüse 10, die Innenwand 131 des zusätzlichen Einsatzes 13 und die Innenwand 121 des zylindrischen inneren Einsatzes 12 eine Grenze definieren, die aufs Beste die Strömung des Strahls heißer Gase in der ersten Betriebsphase der Rakete einhält. Der zusätzliche Einsatz 13 erstreckt sich nur über einen oberen Bruchteil 121B der Innenwand 121 des Einsatzes 12.
Um die Gesamtheit der Konstruktion aufs Beste zu Versteifen, besitzt die Außenwand des äußeren Einsatzes 11 eine geschwungene Gestalt, die derjenigen der äußeren Expansionsdüse 10 entspricht, und der Einsatz 12, der zusätzliche Einsatz 13 oder andere Zwischen-Einsätze besitzen einen gewinkelten oberen Bereich 123, 133, der sich gleichfalls an die äußere Expansionsdüse 10 anschmiegt.
Die Anzahl an Haupteinsätzen 11, 12,..., die sich bis zum unteren Bereich der äußeren Expansionsdüse 10 erstrecken, kann entsprechend dem gewünschten Anpassungsgrad höher als 2 sein. Diese Anzahl muss jedoch unterhalb 5 bleiben, um die Vorteile der Einfachheit des Systems beizubehalten. Jedenfalls gibt es einen Spielraum zwischen benachbarten Einsätzen, ebenso wie zwischen dem innersten Einsatz 12 und einem eventuellen zusätzlichen Einsatz 13 geringerer Höhe, der zur Optimierung der Geometrie dient, und Längs-Gleitschienen wie die Gleitschienen 61 bis 63 sind in dem ringförmigen freien Raum zwischen den zylindrischen Bereichen von zwei benachbarten Einsätzen verteilt.
Dichtmittel oder Druckbegrenzungsmittel 21, 22, 23 sind zwischen die Einsätze 11, 12, 13 und die äußere Expansionsdüse 10 eingefügt, um die Erzeugung einer Ausstoß-Belastung der Vorrichtung, die von dem unteren Ende 100 der äußeren Expansionsdüse 10 wieder aufgenommen würde und eine Verstärkung dieses Endes 100 in zu starker Weise, die die Kosten und die Masse des ganzen erhöhen würde, obligatorisch machen würde, zu vermeiden.
In dem Fall, in dem die Leitung entlang der Wand der äußeren Expansionsdüse 10 ausreichend ist, d.h. wenn die Temperatur nicht örtlich Werte in der Größenordnung. von 250°C überschreitet, können die Dichtmittel 21, 22, 23 zwischen der Wand der äußeren Expansionsdüse 10 und den verschiedenen Einsätzen 11, 12, 13 von wulstförmigen elastomeren Dichtungen 210, beispielsweise vom Silicon-Typ, gebildet werden (12).
Als Beispiel, eine um 25% zusammengedrückte Dichtung von 10 mm Durchmesser kann Verformungen in der Größenordnung von 2 mm absorbieren.
In dem Fall, in dem die Umgebung in der Zone der Wand der äußeren Expansionsdüse 10 sehr heiß ist, muss man dann eine Gaszirkulation zwischen den Einsätzen 11, 12, 13 und der äußeren Expansionsdüse 10 zulassen. In diesem Fall, der in der 13 veranschaulicht ist, können die Elemente 21, 22, 23 von biegsamen metallischen Dichtungen 211 in Form von Kolbenringen, die nicht perfekt dicht sind, aber erlauben, die den Verformungen angemessenen Spielräume einzuhalten und Lastabbau zu schaffen, was die aufzunehmenden Belastungeskräfte minimiert, gebildet werden. Die Dichtungen 211 sind in Vertiefungen 212, die am Umfang der Einsätze 21, 22, 23 ausgebildet sind, angeordnet.
Die Wirkung, den Druck auf die Wand der äußeren Expansionsdüse 10 zu begrenzen, kann auf verschiedene Weise verwirklicht werden.
So ist in den 9, 11, 18 und 19 eine nachgiebige Matte 56 aus Kohlenstoff-Filz dargestellt, die einen Durchgang von Gas zwischen einem Einsatz 11, 12 oder 13 und der äußeren Expansionsdüse 10 erlaubt, während sie den Druck begrenzt. Die nachgiebige Matte 56 kann die Verformungsunterschiede absorbieren, während sie Temperaturen oberhalb 200°C aushält.
14 zeigt eine Ausführungsvariante, bei der eine nachgiebige Matte 214, die beispielsweise aus thermisch beständigem Elastomer hergestellt und mit Rillen 215 ausgestattet ist, zwischen einem Einsatz wie dem Einsatz 12 und der äußeren Expansionsdüse 10 eingefügt ist. Eine solche nachgiebige Matte 214, die zwischen den Satz aus den Einsätzen 11, 12, 13 und die äußere Expansionsdüse 10 eingefügt werden kann, erlaubt den Durchgang der Gase in den Rillen 215, während sie den Druck mittels Venturi-Effekt begrenzt.
Der Einsatz der Variante der 14 kann insbesondere in dem Fall interessant sein, in dem die Düse eine Wiedereinspritzung heißer Gase und ein Expansionsdüsen-Kühlsystem vom Entladungstyp (bekannt unter dem Namen "dump cooling") einsetzt.
Die Wahl einer bestimmten Art von Vorrichtung zur Druckbegrenzung (nachgiebige Matte 56, geriffelte Matte 214, 215, Abdichtungs-Dichtung 210 oder 211) wird durchgeführt in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen der Rakete (Größe, Temperatur, Wärmedehnung} und zielt darauf ab, zu garantieren, dass nur tolerierbare Belastungskräfte auf die Schale der äußeren Expansionsdüse 10 ausgeübt werden, dergestalt, dass diese dünn bleiben kann und keine massemäßig belastende Verstärkung erfordert.
Die Erfindung ist auf eine Düse anwendbar, die eine innere Verstärkungs-Expansionsdüse, die von einem Satz mehrerer ausstoßbarer Einsätze 11, 12, 13, wie beispielsweise in 1 dargestellt, gebildet wird, aufweist.
Die Erfindung eignet sich jedoch gleichermaßen für den Fall einer Düse, die eine schon recht gut an einen Betrieb auf Bodenhöhe angepasste Expansionsdüse, beispielsweise mit einem Querschnittsverhältnis ε, das zwischen etwa 45 und 50 liegt, besitzt.
In diesem Fall ist es nicht notwendig, eine von einer Mehrzahl von Einsätzen gebildete innere Expansionsdüse einzusetzen, sondern ein einziger Einsatz 11, wie er in 9 dargestellt ist, hergestellt in der weiter oben unter Bezugnahme auf die 9 und 18 beschriebenen Weise, erlaubt es, die Qualität einer bestehenden äußeren Expansionsdüse 10 zu verbessern, indem die seitlichen Belastungskräfte und die Ablösung des Strahls verringert werden, ohne wegen der vorbestehenden Struktur dieser äußeren Expansionsdüse 10 einen Neubeginn zu erfordern.
Der einzige achsensymmetrische Einsatz 11 besitzt ein zelliges Füllmaterial 51, Verstärkungselemente 52, eine Unterstützungsstruktur 55, die von einer radial angeordneten metallischen Halteplatte 14 gebildet werden kann, eine Innenwand 111 aus hitzebeständigem Material 53, das gegen die heißen Gase beständig ist, einen oberen Endbereich 54, der gleichfalls aus hitzebeständigem Material hergestellt ist, und Druckbegrenzungsmittel, die beispielsweise von einer nachgiebigen Matte 56 aus Kohlenstoff-Filz gebildet werden können, wobei die Matte auch insbesondere durch eine mit Rillen 215 ausgestattete Matte 214, die die natürliche Ablösung des Einsatzes 11 durch den Druck erleichtert, wenn die Verbindungsmittel 30 mit der äußeren Expansionsdüse 10 gebrochen werden, ersetzt werden kann.
In 1 ist symbolisch eine, Vorrichtung zur Befestigung und zur pyrotechnischen Abtrennung 32 dargestellt, die die Befestigung des zusätzlichen Einsatzes 13 an der Wand der äußeren Expansionsdüse 10 in selektiver Weise erlaubt. Die Vorrichtung 32 ist auf der Höhe des tiefsten Bereichs des der äußeren Expansionsdüse 10 benachbarten Bereichs angebracht. In der gleichen Weise ist eine Vorrichtung zur Befestigung und zur pyrotechnischen Abtrennung 31 auf der Höhe des tiefsten Bereichs des Bereichs des Einsatzes 12, der der äußeren Expansionsdüse 10 benachbart ist, angeordnet. Schließlich ist der äußere Einsatz 11 auf der Höhe eines Flansches 110, der an seinem unteren Außenumfangsbereich gebildet ist, an einem komplementären Flansch 100, der an dem unteren Umfangsbereich der äußeren Expansionsdüse 10 gebildet ist, befestigt.
Die 7 und 8 zeigen jeweils zwei Varianten von Vorrichtungen 30 zur Befestigung und zum pyrotechnischen Abtrennen des äußeren Einsatzes 11 und des Rands 110 seiner Grundplatte 14 bezüglich der äußeren Expansionsdüse 10. So werden gemäß der speziellen Ausführungsform der 7 die Flansche 100, 110 mittels zweier radial gespreizter Halbklammern 101, die einen Querschnitt in Form eines Reiters-besitzen, aneinander gefügt gehalten. Es gibt die Möglichkeit, entweder die zwei Halbklammern durch pyrotechnische Schrauben 103, 104 zu entfernen, oder zwischen die zwei Flansche 100, 110 eine Schnur 301 zum pyrotechnischen Abtrennen und Ausstoßen einzufügen.
Gemäß der speziellen Ausführungsform der 8 werden der Flansch 100 und der Flansch 110, der den Rand einer Halteplatte 14 des Einsatzes 11 bildet, durch klassische Verbindungsmittel 102 wie Schrauben einstöckig gehalten, und eine zwischen die Flansche 100, 110 eingefügte pyrotechnische Umfangsschnur 301 erlaubt in der gleichen Weise eine Abtrennung des Einsatzes 11 zu dem vorbestimmten Zeitpunkt, zu dem die Rakete eine ausreichende Höhe erreicht hat.
6 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 31 zur Befestigung und zur Abtrennung des inneren Einsatzes 12. Dieses Beispiel kann auch auf die Vorrichtung 32 zur Befestigung und zur Abtrennung des zusätzlichen Einsatzes 13 angewendet werden. Ein Bauteil 310 zur metallischen Verbindung verbindet die äußere Expansionsdüse 10 mit dem Einsatz 12. Das Verbindungsbauteil 310 ist in dem Einsatz 12 in der Zone unterhalb des Bereichs des Einsatzes 12, der die äußere Expansionsdüse 10 berührt, verankert. In dem Umfangsbereich des Einsatzes 11 ist eine äußere ringförmige Einkerbung 312 ausgebildet, die eine Schulter ausspart, auf der das metallische Verbindungsbauteil 310 ruht, um die Unterbringung einer Schnur zur pyrotechnischen Abtrennung zu erlauben.
Die 3 und 4 zeigen Ausstoß-Vorgänge des Einsatzes 12 (wobei der zusätzliche Einsatz 13, wenn es ihn gibt wie in 1, vorher gemäß einem ähnlichen Vorgang ausgestoßen wurde).
In einem ersten Schritt (3) wird, wenn einmal durch eine elektrische Betätigung der Befehl zum Ausstoß des Einsatzes 12 gegeben wurde, die pyrotechnische Schnur zur Abtrennung 311 gezündet und bewirkt, einerseits, den Bruch des metallischen Verbindungsbauteils 310 und, andererseits, einen Reaktionseffekt, der die Ausstoßbewegung des Einsatzes 12 einleitet, indem er eine Ablösung der zwischen dem Einsatz 12 und der äußeren Expansionsdüse 10 angebrachten Dichtung 22 hervorruft. Nach der Ablösung der Dichtung 22 ergibt sich eine Druckbeaufschlagung der im Wesentlichen kegelstumpfartigen Oberseite 123 des Einsatzes 12, und dieser Letztere wird auf natürliche Weise durch den Hochdruck-seitigen Druck ausgestoßen. Der Einsatz 12 wird bei seiner Ausstoßbewegung durch die Gleitschienen 61, 62, 63 geführt (5).
Wie es weiter oben erwähnt wurde, werden die elementaren Einsätze 13, 12, 11 in einer Kaskade ausgestoßen, ausgehend von dem innersten Einsatz (Einsatz 13 der 1 oder Einsatz 12 der 2), wenn die Trägerrakete eine bestimmte Höhe erreicht hat. Die Auslösung kann mit Hilfe einer einzigen elektrischen Betätigung geschehen, wobei pyrotechnische Relais die zeitliche Staffelung der Zündungen der Vorrichtungen 32, 31, 30 und infolgedessen des Ausstoßens der Einsätze 13, 12 und 11 sicherstellen.
Die Abmessungen, die Anzahl und die Gestalt der Einsätze sind an die unterschiedlichen Arten von Erfordernissen anzupassen.
Als ein Beispiel, bei einer Ausführung mit drei Einsätzen 11, 12, 13 gemäß 1, angewendet auf eine äußere Expansionsdüse 10, die einen Radius Re von 1350 mm besitzt, der ein Querschnittsverhältnis ε = 97 verleiht, kann die Gesamthöhe H der Einsätze 11 bis 13 über oder gleich 1500 mm sein, und die Einsätze 11, 12 zur zylindrischen Einfügung können einen inneren Radius Ri von 860 mm besitzen, der zu Beginn der Mission, wenn alle Einsätze 11 bis 13 an Ort und Stelle sind, ein Querschnittsverhältnis von ε = 40 verleiht. In diesem Fall kann das Querschnittsverhältnis zwischen dem Beginn und dem Ende der Mission in abgestufter Weise zwischen 40 und 97 variieren, was es erlaubt, die Betriebsweise zu optimieren.
Die Düse mit konzentrischen Einsätzen gemäß der Erfindung kann in einer großen Anzahl unterschiedlicher Ausführungsformen verwirklicht werden.
Die 9 und 10 zeigen, für den Fall eines einzigen Einsatzes 11, Verbindungsmittel 30, die eine Kombination der in den 7 und 8 dargestellten Mittel bilden. So bildet der, Rand der Halteplatte 14 einen Flansch 110, der mit dem Flansch 100 der äußeren Expansionsdüse 10 in zwei Halbklammern 101, die einen Querschnitt in Form eines Reiters besitzen, eingefügt ist. 10 zeigt die Ränder 105, 106 der Halbklammern 101, die durch Sprengbolzen 103, 104 verbunden sind. Eine derartige Struktur passt sich leicht an vorhandene äußere Expansionsdüsen 10 an. Wenn der Einsatz 11 ausgestoßen werden muss, werden die Sprengbolzen 103, 104 gezündet und erlauben den radialen Ausstoß der Halbklammern 101. Die pyrotechnische Umfangsschnur 301, die zwischen die Flansche 100, 110 eingefügt ist, erlaubt das Abtrennen der Halteplatte 14, was den Einsatz 11 befreit, der durch den hochdruckseitigen Druck natürlich abgelöst und ausgeworfen wird. Der Einsatz einer nachgiebigen geriffelten Matte 214, 215 zwischen dem Einsatz 11 und der äußeren Expansionsdüse 10 kann die Ablösung dieses Einsatzes 11 erleichtern, was die Verwendung der Schnur 301 vermeidet.
11 zeigt eine andere Ausführungsvariante der 7 und 8, in der der Flansch 100 und der Rand 110 der Halteplatte 14 oder Fußplatte durch pyrotechnische Bolzen 302, die die Halbklammern 101 und die Schnur 301 der 7 oder die bolzen 102 und die Schnur 301 der 8 ersetzen, verbunden sind.
19 zeigt den Einsatz eines Systems zum Nachstellen der Formänderung eines Einsatzes 11 in dem Fall, in dem eine Druck begrenzende nachgiebige Matte 56 nicht genügt, um die Formänderungen zwischen dem Einsatz 11 und der äußeren Expansionsdüse 10 zu absorbieren. Das System zum Nachstellen bei Formänderungen weist Federn 16 auf, die am Umfang des Einsatzes 11 verteilt sind und in Aufnehmern 17, die in diesem Einsatz 11 ausgebildet sind, angebracht sind. Die Federn 16 die sich auf der Halteplatte 14 abstützen, garantieren, dass der Einsatz 11 immer an der Schale der äußeren Expansionsdüse 10 anliegend bleibt, wie auch immer die Formänderungen des Einsatzes 11 oder der äußeren Expansionsdüse 10 sein mögen.
In 20 ist eine Ausführungsform ähnlich derjenigen der 3 und 4 dargestellt, aber mit einem inneren Einsatz 12, der eine profilierte Innenwand 121 besitzt, die einen oberen Bereich 121A zur Anfügung an den Düsenhals dergestalt definiert, dass kein zusätzlicher innerer Einsatz 13 zur Anwendung kommt und dass der innere Einsatz 12 bis zur Höhe der Basis der Expansionsdüse 10 hinab reichen kann.
In den 15 bis 17 sind verschiedene Ausführungsformen dargestellt, in denen die Vorrichtungen zur Abtrennung der Einsätze 11, 12 und zum Ausstoß derselben entkoppelt sind, im Gegensatz zu dem Fall einer Ausführungsform wie derjenigen der 6, wo die zwei Funktionen an derselben Stelle untergebracht sind.
In 15 ist eine pyrotechnische Ladung 324 zu sehen, die in einem Hohlraum 325, der in dem Einsatz 12 der Wand der äußeren Expansionsdüse 10 be nachbart ausgespart ist, angebracht ist. Die Ausstoßladung 324 wird dergestalt gewählt, dass sie nicht zu heiße Gase erzeugt, deren Funktion es ist, den Einsatz 12 von der äußeren Expansionsdüse 10 abzulösen, wobei die Verbrennungsgase zwischen die äußere Expansionsdüse 10 und den Einsatz 12 eindringen und ein Ausstoßen dieses Einsatzes 12 erlauben, wenn dieser einmal von dem Einsatz 11 durch den Bruch der radialen pyrotechnischen Bolzen 313, die den Einsatz 12 mit dem Einsatz 11 verbinden, getrennt wurde.
16 zeigt eine Ausführungsform, in der eine pyrotechnische Ladung 324 in einem in dem Einsatz 12 vorgesehenen Hohlraum 325 angebracht werden kann, wie in dem Fall der Ausführungsform der 15, um das Ausstoßen des Einsatzes 12 sicherzustellen. In 16 ist ein Einsatz 11 zu sehen, der auf einer Halteplatte 14 ruht, deren Ende 110 mit dem Flansch 100 am Rand der äußeren Expansionsdüse 10 durch pyrotechnische Bolzen verbunden ist, wie es gleichermaßen in 11 veranschaulicht ist. Der Einsatz 12 ist nicht selbst durch pyrotechnische Bolzen direkt mit dem Einsatz 11 verbunden wie in 15, sondern ruht auf einer metallischen Halteplatte 15, die sich unter den Einsatz 11 erstreckt und mit diesem durch pyrotechnische Bolzen 303, die die Abtrennungsfunktion des Einsatzes 12 sicherstellen, verbunden ist.
17 zeigt eine einklappbare Klappe 421, die sich unbenutzt, entgegen der Wirkung von Federn 423, in aufgerichteter Stellung parallel zur Achse der Expansionsdüse befindet und sich durch Verbindungsmittel 422 zwischen dem Einsatz 12 und dem Einsatz 11 in Position gehalten befindet. Wenn die Verbindungsmittel 422 durch eine pyrotechnische Einwirkung freigegeben werden, erlauben die Federn 423 eine Ausbreitung der Klappe 421, die in die Stellung 421 geht, wo sie sich vorspringend quer in den Strahl der aus der Brennkammer kommenden heißen Gase erstreckt und so das Ausbringen des Einsatzes 12 erleichtert.
Allgemein ist es möglich, die verschiedenen weiter oben beschriebenen Aus- führungsformen miteinander zu kombinieren. Übrigens kann man in bestimmten Fällen freiwillig die Kontur der äußeren Expansionsdüse entoptimieren, um deren Gesamtlänge, die mechanische Probleme bereitet, weil die große Träg heit frei tragender Stufen es erfordert, die Betätigungs-Stellglieder für die Ausrichtung oder die Strukturen der Brennkammer zu verstärken, zu begrenzen. Man erhält dann eine kompaktere Expansionsdüse, deren Querschnittsverhältnis gesteigert werden kann, um den Leistungsverlust auf Grund der Entoptimierung der Kontur auszugleichen. In allen Fällen erlaubt es die Verwendung erfindungsgemäßer Einsätze, das mechanische Verhalten und die Leistungen zu verbessern. Überdies erlaubt die Verwendung konzentrischer Einsätze in Röhrenform und aus zelligem Material, deren charakteristische Eigenschaften leicht zu berechnen, und kann ein modülares System bilden, das definierbar ist, ohne für jede Expansionsdüse nochmals eine Gesamtstudie durchzuführen.

Claims

Raketendüse, insbesondere für die erste Trägerstufe; aufweisend einen konvergenten Teil (3), der die in einer Brennkammer (4) erzeugten heißen Gase aufnimmt, einen Düsenhals (2) mit verringertem Querschnitt (So) und eine Expansionsdüse (1), die sich an den Düsenhals (2) anschließt und an ihrem Niederdruck-seitigen Bereich (101) mit einem Gasaustrittsquerschnitt (Se), der ein erhöhtes Querschnittsverhältnis (ε = Se/So) definiert, endet, wobei die Expansionsdüse (1) eine äußere Expansionsdüse (10), die mit dem Düsenhals (2) verbunden ist, und mindestens eine innere Expansionsdüse (11, 12, 13), deren Austrittsquerschnitt kleiner ist als derjenige der äußeren Expansionsdüse (10) und die in die äußere Expansionsdüse (10) eingefügt ist und mit dieser verbunden ist durch Verbindungsmittel (30, 31, 32), denen Mittel zur selektiven Zerstörung der Verbindungsmittel beigeordnet sind, um eine Abtrennung und einen Abwurf der inneren Expansionsdüse (11, 12, 13) zu einem vorbestimmten Betriebszeitpunkt der Brennkammer, der einer vorbestimmten Höhe der Rakete entspricht, zu erlauben, aufweist, wobei die innere Expansionsdüse mindestens einen ersten Einsatz (11), der im Inneren der äußeren Expansionsdüse (10) in zu ihr konzentrischer Weise und dergestalt angebracht ist, dass er die äußere Expansionsdüse (10) während der Übergangsphasen des Anlaufens oder des Ausstoßes der inneren Expansionsdüse versteift, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Einsatz (11) ein zelliges Füllmaterial (51), dem eine Versteifungsstruktur (52, 55) und ein hitzebeständiges Material (53), das die Innenwand (111) des ersten Einsatzes (11), die den in der Brennkammer erzeugten heißen Gasen ausgesetzt ist, definiert, beigeordnet sind, dergestalt, dass die mittlere Dichte des ersten Einsatzes (11) zwischen etwa 0,2 und 0,4 liegt, aufweist, und dadurch, dass Druckbegrenzungsmittel (21) zwischen den ersten Einsatz (11) und die äußere Expansionsdüse (10) eingefügt sind, um die auf die äußere Expansionsdüse (10) übertragenen Belastungskräfte zu begrenzen, und dadurch, dass der erste Einsatz (11) an der äußeren Expansionsdüse (10) durch steife Befestigungsmittel (30), denen Mittel zum selektiven Abtrennen (311) beigeordnet sind, befestigt ist.
Düse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der ersten Einsatz (11) eine zylindrische Innenwand (111) aufweist.
Düse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Einsatz (11) eine profilierte Innenwand (111) aufweist.
Düse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Expansionsdüse einen Satz von mehreren ausstoßbaren konzentrischen Einsätzen (11, 12) aufweist, wobei jeder Einsatz (11, 12) ein zelliges Füllmaterial (51), dem eine Versteifungsstruktur (52, 55) und ein hitzebeständiges Material (53), das die Innenwand (11, 121) jedes Einsatzes (111, 121), die den in der Brennkammer erzeugten heißen Gasen ausgesetzt ist, definiert, beigeordnet sind, dergestalt, dass die mittlere Dichte jedes Einsatzes (11, 12) zwischen etwa 0,2 und 0,4 liegt, aufweist, und dadurch, dass die verschiedenen Einsätze (11, 12) miteinander verbunden sind durch steife Befestigungsmittel (31), denen Mittel zum selektiven Abtrennen (311) beigeordnet sind, und dadurch, dass Druckbegrenzungsmittel (21, 22) zwischen jedem Einsatz (11, 12) und der äußeren Expansionsdüse (10) eingefügt sind, um die auf die äußere Expansionsdüse (10) übertragenen Belastungskräfte zu begrenzen, und dadurch, dass die einander gegenüber liegenden Wände zweier benachbarter konzentrischer Einsätze (11, 12) im Wesentlichen zylindrische Bereiche (111, 122) besitzen, die voneinander durch einen ringförmigen Spielraum (41), in dem mindestens drei Längs-Gleitschienen (61, 62, 63), die ein Gleiten des äußeren Einsatzes (12) bezüglich des benachbarten inneren Einsatzes (11) ohne Verklemmungsrisiko erlauben, angebracht sind, getrennt sind.
Düse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der ausstoßbaren konzentrischen Einsätze (11, 12) eine im Wesentlichen zylindrische Innenwand besitzt.
Düse nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Expansionsdüse außerdem einen Hilfseinsatz (13), der mit dem innersten Einsatz (12) konzentrisch ist, der im Inneren dieses innersten Einsatzes (12) angebracht ist, indem er an diesem befestigt ist durch steife Befestigungsmittel (32), denen Mittel zum selektiven Abtrennen beigeordnet sind, aufweist, und dadurch, dass der Hilfseinsatz (13) ein zelliges Füllmaterial (51), dem eine Versteifungsstruktur (52, 55) und ein hitzebeständiges. Material (53), das die profilierte Innenwand (131) des Hilfseinsatzes (13) definiert, die den in der Brennkammer erzeugten heißen Gasen ausgesetzt ist, beigeordnet sind, dergestalt, dass die mittlere Dichte des Hilfseinsatzes (13) zwischen etwa 0,2 und 0,4 liegt, aufweist, und dadurch, dass Druckbegrenzungsmittel (23) zwischen dem Hilfseinsatz (13) und der äußeren Expansionsdüse (10) eingefügt sind, dass die einander gegenüber liegenden Wände des innersten Einsatzes (12) und des Hilfseinsatzes (13) im Wesentlichen zylindrische Bereiche (121, 132) besitzen, die voneinander durch einen ringförmigen Spielraum, in dem mindestens drei Längs-Gleitschienen (61, 62, 63) angebracht sind, die ein Gleiten des Hilfseinsatzes (13) bezüglich des innersten Einsatzes (12) ohne Verklemmungsrisiko erlauben; getrennt sind, und dadurch, dass sich der Hilfseinsatz (13) nur über einen oberen Bruchteil (121B) der Innenwand (121) des innersten Einsatzes (12) erstreckt.
Düse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckbegrenzungsmittel (21, 22, 23) eine Kohlenstoff-Filzmatte (56) aufweisen, die es erlaubt, die radialen Verformungen der äußeren Expansionsdüse (10) und der inneren Expansionsdüse im Betrieb zu absorbieren.
Düse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckbegrenzungsmittel (21, 22, 23) eine Matte (214) aus nachgiebigem Elastomer, die an ihrer der äußeren Expanionsdüse (10) zugewandten Seite mit Rillen (215) ausgestattet ist, aufweisen.
Düse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckbegrenzungsmittel (21, 22, 23) mindestens eine wulstförmige elastomere Dichtung (210) vom Silicon-Typ aufweisen.
Düse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckbegrenzungsmittel (21, 22, 23) Dichtungen (211) in Form von teilweise dichten Kolbenringen aufweisen, um Lastabbau zu erzeugen und ein Einhalten des Spiels sicherzustellen.
Düse nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das zellige Füllmaterial (51) Verbundmaterialien, die eine zellige Wabenstruktur besitzen, oder in Form eines mit Mikroballons beladenen Harzes vorgesehen sind, aufweist.
Düse nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das hitzebeständige Material (53) ein Material aufweist, das abhängig von der Zeitdauer, in der es den in der Brennkammer erzeugten heißen Gasen exponiert ist, ausgewählt ist aus Phenol-Kieselerde, Phenol-Kohlenstoff, einem Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundmaterial und einem Kohlenstoff-Siliciumcarbid-Verbundmaterial.
Düse nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Einsatz (11) an seinem unteren Bereich eine steife Platte (14), die am Rand einen Flansch (110) zur Anfügung an einen entsprechenden Flansch (100), der am unteren Umfangsbereich der äußeren Expansionsdüse (10) ausgeführt ist, definiert, besitzt, und dadurch, dass pyrotechnische Mittel (301) vorgesehen sind, um in se lektiver Weise den Bruch der Verbindungsmittel (101, 102) der Flansche (110, 100) hervorzurufen.
Düse nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie zentrale elektrische Betätigungsmittel zum Auslösen der Mittel zum selektiven Abtrennen, und pyrotechnische Zeitrelais, die den Mitteln zum selektiven Abtrennen beigeordnet sind, um den Kaskadenausstoß der Einsätze (11, 12, 13) ausgehend von, dem innersten Einsatz (12) oder ggf. von dem Hilfseinsatz (13) hervorzurufen, aufweist.
Düse nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Verbindungsmittel (30, 31, 32) Sprengschrauben mit pyrotechnischen Ladungen (313), die benachbarte Einsätze (11, 12) aneinander befestigen, aufweisen.
Düse nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass. wenigstens gewisse der Verbindungsmittel (30, 31, 32), denen Mittel zur selektiven Zerstörung der Verbindungsmittel beigeordnet sind, pyrotechnische Ladungen (324) aufweisen, die in Hohlräumen (325), die in den Einsätzen (11, 12) der äußeren Expansionsdüse (10) benachbart vorgesehen sind, angebracht sind, um Gase mäßiger Hitze zu erzeugen, um bei ihrer Zündung ein Ablösen. der Einsätze (11, 12) bezüglich der äußeren Expansionsdüse (10) sicherzustellen.
Düse nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Einsatz (12) ein einklappbares Mittel (421) aufweist, dessen Ausbreitung pyrotechnisch oder durch Federn (422), die mittels pyrotechnischer Trennvorrichtungen frei gegeben werden, dergestalt sichergestellt wird, dass sich das einklappbare Mittel (421) beim Ausstoß dieses Einsatzes (12) selektiv vorspringend quer in den Strahl der aus der Brennkammer kommenden heißen Gase erstrecken kann, um das Ausbringen des Einsatzes zu erleichtern.