DE69908739T2

DE69908739T2 - Verfahren zur Herstellung eines Raketenschubrohres

Info

Publication number: DE69908739T2
Application number: DE69908739T
Authority: DE
Inventors: Robert J. Wright
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1998-11-30
Filing date: 1999-11-29
Publication date: 2003-12-24
Anticipated expiration: 2019-11-30
Also published as: JP2000161141A; KR100577133B1; KR20000067815A; DE69908739D1; EP1005949A1; EP1005949B1; US6134782A

Description

Die Erfindung betrifft Raketentriebwerke und insbesondere ein Verfahren zum Ausbilden von Verteiler- und Sammeleinrichtungen für Raketentriebwerkschubkammern.
Raketentriebwerke, beispielsweise solche, wie sie zum Starten von Satelliten verwendet werden, sind kostenaufwändig zu konstruieren und herzustellen. Gleichzeitig wächst kontinuierlich die Nachfrage nach Raketentriebwerken, die in der Lage sind, Nutzlasten in den Weltraum oder in erdnahe Umlaufbahnen zu tragen. Folglich sind die Hersteller derartiger Raketentriebwerke konstant auf der Suche nach neuen Wegen, um die Konstruktions- und Herstellungskosten für das Produzieren von Raketentriebwerksbauteilen zu verringern.
Ein derartiges Bauteil ist die Raketenschubkammer, in der die Treibmittel des Raketentriebwerks verbrannt und beschleunigt werden. Wegen der extrem hohen Temperaturen der sich durch die Schubkammern bewegenden Treibmittel müssen die Wände der Schubkammer bei den Anwendungen gekühlt werden, die ein andauerndes Brennen des Triebwerks erfordern.
Ein derartiges Kühlen wird typischerweise bewirkt, indem man ein Kühlmittel durch Rohre strömen lässt, welche die Innenwand der Schubkammer bilden. Die europäische Patentanmeldung EP 0 780 563 A2 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen einer Raketenschubkammer aufweisend eine Anzahl von Rohren, die ein Rohrbündel bilden, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Da die Herstellung von derartigen Schubkammern kostenaufwändig ist, wurden neue Wege um Herstellen derartiger Schubkammern entwickelt.
Ein Beispiel für die Herstellung einer derartigen Schubkammer ist in dem US- Patent Nr. 5 375 325 an Bales et al. gezeigt, das eine Raketenschubkammer beschreibt, die durch das Positionieren von mit Manschette versehenen Kühlrohren in einem Strukturmantel, um ein Rohrbündel zu bilden, und das Positionieren einer Verkleidung in dem Rohrbündel, um so die Rohre zwischen dem Mantel und der Verkleidung sandwichartig anzuordnen. Die Rohre werden dann einem hohen Innendruck ausgesetzt und bei einer hohen Temperatur aufgeblasen, während die Verkleidung gleichzeitig dem gleichen hohen Druck ausgesetzt ist, um so die mit Manschette versehenen Rohre im engen Kontakt mit den benachbarten mit Manschette versehenen Rohren, der Verkleidung und dem Mantel zu bringen. Die Temperatur wird beibehalten, bis es zu einer Verbindung zwischen der Verkleidung, den mit Manschetten versehenen Rohren und dem Mantel gekommen ist.
Obwohl das vorangehend beschriebene Patent eine Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik darstellt, erfordert die Herstellung des Strukturmantels, der bei der Herstellung verwendet wird, ein großes Maß an maschinellem Bearbeiten, und jedes Ende eines jeden Rohrs muss individuell in Sammel- bzw. Verteilereinrichtungskanäle in dem Mantel geschweißt werden. Die mit diesem Bearbeiten und Schweißen einher gehende Zeit und der Aufwand stellen einen signifikanten Anteil der Herstellungskosten der Schubkammer dar.
Benötigt wird ein Verfahren zum Herstellen einer Raketenschubkammer, das weniger Bearbeitung zur Ausbildung eines Strukturmantels benötigt und das Erfordernis eliminiert, jedes Ende jedes der Rohre individuell in Sammel- bzw. Verteilereinrichtungskanäle in dem Mantel zu schweißen.
Es ist deshalb ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen einer Raketenschubkammer bereitzustellen, welches die Menge an erforderlicher Bearbeitung zum Ausbilden eines Strukturmantels, verglichen mit dem Stand der Technik, verringert.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen zum Ausbilden einer Raketenschubkammer, welches das Erfordernis eliminiert, dass jedes Ende der Rohre individuell in Sammel- bzw. Verteilereinrichtungskanäle in dem Mantel geschweißt werden muss.
Gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung, wie es in Anspruch 1 definiert ist, wird ein Verfahren zum Herstellen einer Raketenschubkammer beschrieben, bei dem geschmolzenes Material auf die äußere Schale eines Kühlrohrbündels aufgesprüht wird und die Enden der Rohre mit einer vorbestimmten Dicke des Metalls überdeckt werden. Sich umfangsmäßig erstreckende Sammel- bzw. Verteilereinrichtungskanäle, die mit jedem der Rohrenden überschneiden, werden dann zu der vorbestimmten Dicke des Metalls bearbeitet, und Passeinrichtungen werden angebracht, um die Sammel- bzw. Verteilereinrichtungskanäle abzuschließen.
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun nur beispielhaft mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, für die gilt:
Fig. 1 ist eine Schnittansicht eines Viertelabschnitts des bei einem Verfahren zum Herstellen der Raketenschubkammer gemäß der vorliegenden Erfindung verwendeten Rohrbündels.
Fig. 2 ist eine Schnittansicht der Anordnung von Fig. 1, die entlang der Linie 2- 2 von Fig. 1 genommen ist.
Fig. 3 zeigt die Anordnung von Fig. 1, wobei die Rohrenden verbördelt sind, um die abgedichteten Spitzen zu bilden.
Fig. 4 zeigt die Anordnung von Fig. 3, nachdem die unterschiedlichen Dicken von Metall auf die Anordnung aufgesprüht worden ist.
Fig. 5 zeigt die Anordnung von Fig. 4, nachdem die Deckel entfernt wurden und das aufgesprühte Metall bearbeitet wurde, so dass es den Strukturmantel bildet.
Fig. 6 zeigt die Anordnung von Fig. 5, nachdem die abgedichteten Spitzen der Rohre weg bearbeitet wurden und die Sammel- bzw. Verteilereinrichtungskanäle in den Mantel bearbeitet wurden.
Fig. 7 zeigt die Anordnung von Fig. 6, bei der die Passanordnung an die Sammel- bzw. Verteilereinrichtungsflächen geschweißt wurde.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung wird ausgeführt durch das Aufsprühen von geschmolzenem Metall auf ein Rohrbündel 10, wie das im Schnitt der Fig. 1 gezeigte Rohrbündel. Dieser Metallaufsprühprozess wird üblicherweise von den Fachleuten als Vakuumplasmasprühen ("VPS" - Vacuum Plasma Spray) bezeichnet. Man versteht, dass die Fig. 1 nur ein Viertel des Rohrbündels 10 zeigt und dass das gesamte Rohrbündel 10 um eine sich in Längsrichtung erstreckende Bezugsachse 12 symmetrisch ist. Das Rohrbündel 10 weist eine Mehrzahl von Kühlrohren 14 auf, die umfangsmäßig um eine sich in Längsrichtung erstreckende Bezugsachse 12 angeordnet sind. Die Längsachse 12 definiert die Symmetrieachse für das Rohrbündel 10 und, wie in der Fig. 1 gezeigt, erstreckt sich jedes der Rohre entlang der Längsachse 12 in einer beabstandeten Relation zu dieser.
Jedes der Rohre 14 ist entlang der gesamten Länge 16, über die sich die Rohre 14 entlang der Längsachse 12 erstrecken, mit zwei der unmittelbar dazu benachbarten Rohre 14 verbunden. Dieses Verbinden, welches vorzugsweise durch Hartlöten bewirkt wird, füllt die Zwischenräume zwischen benachbarten Rohren 14 und verhindert so, dass der Sprühauftrag von geschmolzenem Metall in das Innere des Rohrbündels 10 während des nachfolgend beschriebenen Metallsprühverfahrens eindringt. Jedes der Rohre 14 hat ein erstes Rohrende 18 und ein zweites Rohrende 20, und jedes der ersten Rohrenden befindet sich in einer beabstandeten Relation zu jedem der anderen ersten Rohrenden, wie in der Fig. 2 gezeigt. Entsprechend befindet sich jedes der zweiten Rohrenden 20 in beabstandeter Relation zu jedem der anderen zweiten Rohrenden 20 (nicht gezeigt).
Wie in der Fig. 1 gezeigt, ist jedes der ersten Rohrenden 18 radial außerhalb von einem ersten Segment 22 der Längsachse 12 angeordnet, und jedes der zweiten Rohrenden 20 ist radial außerhalb eines zweiten Segments 24 der Längsachse 12 angeordnet. Wie in der Fig. 1 gezeigt, weist die äußere Oberfläche 26 von jedem der Rohre 14 einen radial inneren Bereich 28 und einen radial äußeren Bereich 30 auf. Der radial innere Bereich 28 eines jedes Rohrs 14 ist auf die Längsachse 12 gerichtet, und der radial äußere Bereich 30 eines jeden Rohrs 14 ist weg von der Längsachse 12 gerichtet. Gemeinsam definieren die radial äußeren Bereiche 30 die äußere Schale 32 des Rohrbündels.
Ein erster Strukturring 34 ist an den ersten Rohrenden 18 befestigt, und ein zweiter Strukturring 36 ist an den zweiten Rohrenden 20 befestigt, so dass das Rohrbündel 10 zwischen dem ersten und dem zweiten Strukturring 34, 36, wie in der Fig. 1 gezeigt, sandwichartig angeordnet ist. Die Strukturringe 34, 36 bestehen aus dem gleichen Metall, das bei dem nachfolgend beschriebenen Sprühverfahren verwendet wird, und jeder der Strukturringe 34, 36 ist vorzugsweise an den unmittelbar benachbarten Rohrenden 18, 20 durch Hartlöten befestigt. Ein Deckel 38, 40 ist an jedem der Strukturringe 34, 36 befestigt und isoliert so den inneren Hohlraum 42 des Rohrbündels 10 gegen die umgebende Umgebung 44, wie in der Fig. 2 gezeigt.
Jedes der ersten und der zweiten Rohrenden 18, 20 wird dann vorzugsweise durch ein Verbördeln eines jeden Rohrendes 18, 20 und ein Zurückfalten auf sein entsprechendes Rohr 14 abgedichtet, um so eine abgedichtete Spitze 46, 48 an jedem der ersten und zweiten Rohrenden 18, 20 zu definieren, wie in der Fig. 3 gezeigt. Das Rohrbündel 10 mit den angebrachten Ringen 34, 36 und den Deckeln 38, 40 wird dann in eine VPS-Kammer des in dem Technikgebiet bekannten Typs eingebracht, und geschmolzenes Material, vorzugsweise Stahl oder eine Stahllegierung wird auf die äußere Schale 32 des Rohrbündels und das erste und das zweite Rohrende 18, 20 aufgesprüht, bis eine erste vorbestimmte Dicke 50 des Metalls die äußere Schale 32 des Rohrbündels überdeckt, wie in Fig. 4 gezeigt. Zusätzliche Mengen an geschmolzenem Material werden dann auf die ersten Rohrenden 18 aufgesprüht, bis eine zweite vorbestimmte Dicke 52 des Metalls die ersten Rohrenden 18 überdeckt, und zusätzliche Mengen an geschmolzenem Metall werden auf die zweiten Rohrenden 20 aufgesprüht, bis eine dritte vorbestimmte Dicke 54 aus Metall die zweiten Rohrenden 20 überdeckt.
Sobald das aufgesprühte Metall die gewünschten Dicken 50, 52, 54 erreicht hat, wird ein zusätzliches Bearbeiten (z. B. Wärmebehandlung) durchgeführt, um die gewünschten Materialeigenschaften in dem aufgesprühten Metall herzustellen. Nachdem das zusätzliche Bearbeiten abgeschlossen wurde, werden die Deckel 38, 40 entfernt, und überschüssiges aufgesprühtes Metall wird durch maschinelles Bearbeiten entfernt, was den gewünschten Strukturmantel 56 ergibt, der das Rohrbündel 10 einschließt, wie in der Fig. 5 gezeigt. Die Einlass-Verteilereinrichtung 58, wie in der Fig. 6 gezeigt, wird ausgebildet, indem ein erster umfangsmäßiger Kanal 60 in die zweite vorbestimmte Dicke 52 von Metall bearbeitet wird, indem etwas von der zweiten vorbestimmten Dicke 52 von Metall und die abgedichtete Spitze 46 von jedem der ersten Rohrenden 18 entfernt wird, und die Auslass-Sammeleinrichtung 62 wird geformt, indem ein zweiter umfangsmäßiger Kanal 64 in die dritte vorbestimmte Dicke 54 des Metalls bearbeitet wird, indem etwas von der dritten vorbestimmten Dicke 54 von Metall und die abgedichtete Spitze 48 von jedem der zweiten Rohrenden 20 entfernt wird. Der sich ergebende Strukturmantel 56 weist, wie in der Fig. 6 gezeigt, umfangsmäßig verlaufende Einlass-Verteiler- und Auslass-Sammel-Einrichtungskanäle 60, 64 auf. Nach dem Abschluss des maschinellen Bearbeitungsschritts wird ein zusätzliches Bearbeiten (z. B. isostatisches Warmpressen (hot isostatic pressing)) durchgeführt, um die abschließend gewünschten Materialeigenschaften in dem aufgesprühten Metall zu erzeugen.
Der Einlass-Verteilereinrichtungskanal 60 ist von Einlass-Verteilereinrichtungs-Flächenbereichen 66, 68 begrenzt, und der Auslass-Sammeleinrichtungskanal 64 ist von Auslass-Sammeleinrichtungs-Flächenbereichen 70, 72 begrenzt, wie in der Fig. 6 gezeigt. Wie in der Fig. 7 gezeigt, wird eine erste Passanordnung 74, die bearbeitet wurde, dass sie an die Einlass-Verteilereinrichtungs-Flächenbereiche 66, 68 passt, dicht an den Einlass-Verteilereinrichtungs-Flächenbereichen 66, 68 der zweiten vorbestimmten Dicke 52 aus Metall angebracht, und eine zweite Passanordnung 76, die bearbeitet wurde, dass sie an die Auslass-Sammeleinrichtungs-Flächenbereiche 70, 72 passt, wird dicht an der dritten vorbestimmten Dicke 54 aus Metall angebracht. Die Passanordnungen 74, 76, die aus dem gleichen Metall wie der Mantel 56 gemacht sind, werden vorzugsweise durch Schweißen der Passanordnungen 74, 76 an die Verteiler- bzw. Sammeleinrichtungs-Flächenbereiche 60, 68, 70, 72 unmittelbar diesen benachbart abdichtend angebracht. Sobald die umfangsmäßigen Kanäle 60, 64 von den Passanordnungen 74, 76 geschlossen sind, kann ein Fluid, beispielsweise ein Kühlmittel, in die Kühlrohre 14 nur durch Öffnungen (nicht gezeigt) in der Sammel- bzw. Verteilereinrichtung gelangen oder diese verlassen.
Der Fachmann wird leicht erkennen, dass das Verfahren der vorliegenden Erfindung weniger Bearbeitungsaufwand als der Stand der Technik zum Ausbilden eines Strukturmantels erfordert, da nur die äußere Oberfläche des Strukturmantels bearbeitet werden muss. Außerdem ist das Erfordernis, jedes der Kühlrohre einzeln in die Sammel- bzw. Verteilereinrichtungskanäle zu schweißen eliminiert, da das auf die Rohrenden während der Ausbildung des Mantels aufgesprühte geschmolzene Metall jedes der Rohrenden zu dem Strukturmantel abdichtet. Folglich sind die Zeit und der Aufwand und die einhergehenden Kosten, die zum Herstellen der Schubkammer erforderlich sind, verglichen mit dem Stand der Technik, verringert.
Obwohl die Erfindung mit Bezugnahme auf detaillierte Ausführungsformen davon gezeigt und beschrieben wurde, wird der Fachmann verstehen, dass verschiedene Änderungen in deren Form und Detail vorgenommen werden können, ohne von dem Umfang der beanspruchten Erfindung abzuweichen.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen einer Raketenschubkammer, wobei das Verfahren aufweist:

Bereitstellen eines Rohrbündels (10), aufweisend eine Mehrzahl von Rohren (14), wobei das Rohrbündel (10) eine dort hindurch definierte Längsachse (12) hat, wobei jedes der Rohre (14) sich entlang der Längsachse in einer beabstandeten Relation zu dieser erstreckt, wobei jedes der Rohre (14) mit zwei der Rohre (14), die diesem unmittelbar benachbart sind, entlang einer ersten Länge, über die sich die Rohre (14) entlang der Achse (12) erstrecken, verbunden ist, wobei jedes der Rohre (14) ein erstes Rohrende (18) und ein zweites Rohrende (20) hat, wobei jedes der ersten Rohrenden (18) sich in beabstandeter Relation zu jedem der anderen ersten Rohrenden befindet und radial nach außen von einem ersten Segment (22) von der Bezugsachse (12) angeordnet ist, und wobei jedes der zweiten Rohrenden (20) sich in beabstandeter Relation zu jedem der anderen zweiten Rohrenden (20) befindet und radial nach außen von einem zweiten Segment (24) von der Bezugsachse (12) angeordnet ist, wobei die äußere Oberfläche (26) eines jeden Rohr (14) einen radial inneren Bereich (28) und einen radial äußeren Bereich (30) aufweist, wobei der radial innere Bereich (28) eines jeden Rohrs (14) in Richtung zur Achse (12) gerichtet ist und der radial äußere Bereich (30) eines jeden Rohrs (14) weg von der Achse (12) gerichtet ist, wobei die radial äußeren Bereiche gemeinsam eine äußere Schale (32) des Rohrbündels definieren,

Aufsprühen von geschmolzenem Metall auf die äußere Schale (32) des Rohrbündels und des ersten und des zweiten Rohrendes (18, 20), bis eine erste vorbestimmte Dicke (50) des Metalls die äußere Schale (32) des Rohrbündels überdeckt,

dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufsprühen des geschmolzenen Metalls auf das Rohrbündel die ersten und die zweiten Rohrenden (18, 20) abgedichtet werden, um so eine dichte Spitze (46, 48) an jedem der ersten und zweiten Rohrenden (18, 20) zu definieren,

weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Aufsprühen des geschmolzenen Metalls auf das Rohrbündel die folgenden Schritte ausgeführt werden:

Aufsprühen von zusätzlichen Mengen an geschmolzenem Material auf die ersten Rohrenden (18), bis eine zweite vorbestimmte Dicke (52) aus Metall die ersten Rohrenden (18) überdeckt,

Aufsprühen einer zusätzlichen Menge von geschmolzenem Metall auf die zweiten Rohrenden (20), bis eine dritte vorbestimmte Dicke (54) die zweiten Röhrenden (20) überdeckt,

Ausbilden eines ersten umfangsmäßigen Kanals (60) in der zweiten vorbestimmten Dicke (52) aus Metall durch Wegbearbeiten von etwas von der zweiten vorbestimmten Dicke aus Metall und der abgedichteten Spitze (46) von jedem der ersten Röhrenden (18), und Ausbilden eines zweiten umfangsmäßigen Kanals (62) in der dritten vorbestimmten Dicke (54) aus Metall durch Wegbearbeiten von etwas von der dritten vorbestimmten Dicke aus Metall und der abgedichteten Spitze (48) von jedem der zweiten Rohrenden (20);

Schließen des ersten umfangsmäßigen Kanals (60) durch dichtes Anbringen einer ersten Passanordnung (74) an der zweiten vorbestimmten Dicke aus Metall (52) und Schließen des zweiten umfangsmäßigen Kanals (64) durch dichtes Anbringen einer zweiten Passanordnung (76) an der dritten vorbestimmten Dicke aus Metall.