NO119161B - - Google Patents

Description

Lastbærende hylse for drivstoff, elektronisk utstyr, passasjerer etc, for fartøyer som akselererer hurtig, f. eks. raketter.

Foreliggende oppfinnelse angår en lastbærende hylse for drivstoff eller annen last, f. eks. elektronisk utstyr, passasjerer etc. , for fartøyer som akselererer hurtig, f. eks. raketter. Mer spesielt går oppfinnelsen ut på en fleksibel lastbærende hylse som skal inneholde det faste drivstoff i drivkammerets hodeparti.

Idag brukes raketter med fast drivstoff i større grad enn andre rakettyper, og som drivkraft for rakettene brukes flere slag faste drivstoffer, som f. eks. drivlad-ninger med endeforbrenning og med indre forbrenning med forskjellige perforerings-utførelser. Disse drivstoffer har mange ønskelige fortrinn idet de er enkle å behandle, har god holdbarhet, stor ladningstetthet, motstandsdyktighet mot lang tids lagring, ingen forringelse, lav korrosjonsømfintlighet, lav giftighet o. s. v.

Faste drivstoffer er vanligvis laget for forbrenning bare på en valgt overflate

eller flere overflater idet de øvrige overflater har et forbrenningshindrende belegg.

Som regel er drivstoffet anbrakt inne i drivkammeret ved at drivstoffet eller det forbrenningshindrende lag er bundet til kammeret eller til et varmeisolerende lag gom selv er bundet til kammerets indre overflate. I enkelte tilfelle er alle ikke-forbrennende drivstoffoverflater bundet til kammeret eller isolasjonen.

I andre tilfelle er bare en del av drivstoffet eller det forbrenningshindrende belegg bundet til kammeret eller isolasjonen, f. eks. drivstoffets forreste del. I alle fall er drivstoffet enten bundet direkte til drivkammeret gjennom en enkelt binding eller ved binding gjennom ett eller flere ikke-drivbefordrende lag.

Hittil har man møtt mange vanskeligheter på grunn av brist i en eller flere av de forannevnte bindinger. Slike vanskeligheter kommer som regel av temperaturforandringer, det vil si av at rakettmotoren blir utsatt for store ytre temperatursving-ninger. Siden de termiske utvidelseskoeffisienter for de forskjellige materialer i drivstoff, drivkammer og mulige ikke-drivbefordrende lag mellom disse varierer betraktelig, forårsaker forskjeller i utvidelseshastighet og sammentrekning i disse materialer en alvorlig belastning på bindingene, og disse belastninger kan resultere i brist og sprekkdannelser. Avhengig av bindingenes relative styrke kan brist forekom-me mellom alle de forskjellige overflater, f.eks. mellom det forbrenningshindrende belegg og drivkammeret eller mellom dette belegg og drivstoffet. I det første tilfelle blir drivstoffet ikke lenger festet tilstrekkelig godt til drivkammeret, og det vil derfor kunne trykkes bakover og tette dysen eller det vil brytes i stykker av de akselerer-ende krefter under rakettmotorens kraftige akselerasjon. I det annet tilfelle oppstår uønskede forbrenningsoverflater i tillegg til de beregnede og forårsaker en altfor hurtig utvikling av forbrenningsgasser med følgende betraktelig overtrykk og brudd på drivkammeret eller andre feil ved drivmotoren.

I tillegg til temperaturforandringer kan årsak til brist mellom de forskjellige lag være støt eller vibrasjoner under drivstoffets transport eller vibrasjons- og aks-elerasjonskrefter under hjelpemotoroperasjoner.

Det har vært benyttet flere metoder for å forsøke å unngå de ovennevnte vanskeligheter. Det har vært brukt forbrenningshindrende belegg med utvidelseskoeffisienter som ligger tett opptil drivstoffenes, slik at belegget vil utvide seg og trekke seg sammen i takt med drivstoffet. Dette har imidlertid ikke vært fulgt tilfredsstil-lende der drivstoffet er bundet til drivkammeret, siden utvidelseskoeffisientene for belegget og drivkammeret eller isolasjonsbelegget er meget forskjellige. I et videre forsøk på å unngå bindingsbrist ble det innsatt en skumgummihylse som omga drivstoffet og var bundet til utsiden av det forbrenningshindrende belegg og innsiden av drivkammeret eller isolasjonen der. Imidlertid skaper bruken av en slik skumgummihylse ekstraproblemer, spesielt ved drivstoffer med endeforbrenning i hjelpemotorer. Under og kort etter drivstoffets antennelse skaper forbrenningsgassene et trykk som presser drivstoffet sammen. Gummihylsen som holder drivstoffets indre omkrets fast hindrer en utjevning av trykket på alle deler av drivstoffet, og når den bakre del av drivstoffet sammenpresses, vil den rives løs fra sitt forbrenningsindrende belegg. Derved oppstår de nevnte feil ved motoren. Disse ulemper er ved foreliggende oppfinnelse opphevet ved at en tredelt lastbærende hylse er slik utført at den midtre del kan gi etter ved dimensjonsforandringer.

Oppfinnelsen angår aåledes en lastbærende hylse for drivstoff, elektronisk utstyr, passasjerer etc. for fartøyer som akselererer hurtig, f.eks. raketter, hvilken hylse omfatter et antall på hverandre liggende lag av harpiksimpregnert fibermateriale i form av en frontdel, en mellomdel og en bakre del, og den er i det vesentlige kjen-netegnet ved at lagene i den midtre del er impregnert med og bundet sammen av et harpiksmateriale som er elastisk etter herdningen slik at den midtre del blir ettergivende og fleksibel.

Andre trekk og detaljer ved oppfinnelsen vil fremgå av den følgende beskriv-else under henvisning til tegningene der: Fig. 1 viser en foretrukken utførelsesform for den lastbærende hylse i hen-hold til oppfinnelsen, sett delvis gjennomskåret og i perspektiv, Fig. 2 viser en del av et vertikalt tverrsnitt gjennom et fast drivstoff som inne i rakettmotorkamméret er omsluttet og holdt på plass av hylseutførelsen vist på fig. 1.

Fig. 3 viser et snitt gjennom linjen 3-3 på fig. 2.

Ifølge oppfinnelsen er utviklet en fleksibel ladningsbærende hylse til sammen-føyning av et fast drivstoff med et rakettmotorkammer, hvor hylsen vanligvis har minst en, men helst flere lag av vevet stoff, tråd eller fibre. Hylsen har et mellomparti som i hele dets tykkelse og omkrets er impregnert med et elastisk harpiksmateriale for å gjøre dette parti fjærende og fleksibelt.. De forskjellig lagene er også sammenføyet av harpiksmaterialet i dette partiet. Midtpartiet deler resten av hylsen i en fremre og en bakre del, som begge er impregnert med et klebe stoff for å binde lagene sammen og for å binde hylsen til de angjeldende deler av drivstoff og drivkammer.

Som regel bindes hylsens forparti til rakettmotorens forparti. Dette forparti kan være en bakoverstikkende del av det sylindriske drivkammer, men er fortrinnsvis i samme stykke som, eller festet til, en avtagbar for-plate. Forplater som er festet i rakettkammerets fremre ende er vanlige på dette område og kan ansees som en del av drivkammeret. Hylsens bakre ende er enten bundet direkte til drivstoffet eller til dets forbrenningshindrende belegg. Hvis det er bundet til drivmassen direkte kan den bakre del forlenges bakover og denne det forbrenningshindrende lag omkring drivmassen. Denne anbringelsesmåte eliminerer nødvendigheten av at drivmassen bindes direkte eller indirekte gjennom forbrenningshindrende eller isolerende lag, til store overflater i drivkammeret.

Anvendelsen av en ladningsbærende hylse med et fjærende elastisk mellomparti som er bundet hverken til drivmassen eller drivkammeret gir utmerket beskyt- telse av det faste drivstoff mot de forskjellige krefter som drivkammer og den omsluttende drivmasse er utsatt for. Det fjærende mellomparti er ideelt som støtopp-fanger og ladningsbærende medium som nedsetter til et minimum den ødeleggelse av drivmassen som kan oppstå på grunn av støt eller belastning på drivkammeret og den omsluttede drivmasse. Følgelig vil drivstoffet i en rakettmotor med den fleksible hylse motstå plutselig risting under transport av motoren og også aksiale, tverrgående og roterende påkjenninger og vibrasjoner under flukt, som hittil ville resultert i ødeleggelser som ville satt motoren ut av funksjon eller nedsatt funksjonen.

Den fleksible ladningsbærende hylse har tilstrekkelig styrke til å virke som eneste binding mellom drivmasse og drivkammer. Denne binding kan innskrenkes til en liten drivmasseoverflate i den bakover stikkende del av kammeret. Dette frem-byr den fordel at det begrensede område for binding mellom både forbrenningshindrende lag og kammer reduserer problemene med temperatursvingning til et minimum ved å tillate maksimal selvstendig utvidelse og sammentrekning mellom fast drivstoff eller forbrenningshindrende belegg og drivkammer, uten risiko for brist i deres forbindelse. Det brukes fortrinnsvis samme harpiks i det forbrenningshindrende belegg og i hylsen, for at deres varmeutvidelseskoeffisienter skal bli omtrent like store.

Den fleksible, bærende omfatning er spesielt fordelaktig når den brukes i hjelperakettmotorer med endeflateforbrennende drivstoff ladning. Siden det ikke er noen direkte binding mellom det forbrenningshindrende lag og drivkammeret eller isolasjonen, kan forbrenningsgassene som utvikles under og like etter drivstoffets tenning passere mellom disse. Dette utjevner trykket på alle sider av drivmassen og eliminerer den plutselige trykkøkning på bakre del av drivmassen, som hittil forårsaker at massen løsnet fra det forbrenningshindrende lag ved at drivmassen ble sammenpresset.

Det skal nå henvises i detalj til tegningens fig. 1, hvor en ladningsoverførende hylse med generell betegnelse 10 består av flere lag 11 av vevning, tråd eller fibre. En del av disse lag er orientert slik at dukens vevning eller de enkelte tråder eller fibre ligger parallellt med det faste drivstoffets lengdeakse. Disse lag inne i den bærende hylse forhindrer noen vesentlig bakovergående bevegelse av drivmassen i forhold til motorkammeret. Følgelig støtter og holder disse lagene drivladningen i hylsen og motvirker krefter som vil bevege drivmassen bakover, f. eks. drivmassens vekt når rakettmotoren er i en stillestående oppreist posisjon, eller når den utsettes for akselerasjon under bruk av hjelpemotor. En del av lagene kan legges skjevt, slik som lagene 11' hvorav ett er vist ved et delvis bortskåret parti på fig. 1, og hvor dukens vevning eller de enkelte tråder eller fibre ligger i forskjellige vinkler i forhold til de aksialt orienterte lagene 11. Disse skråttlagte lagene begrenser sterkt en roterende bevegelse av drivmassen i forhold til motorkammeret oppstått ved torsjons- krefter på dette, og absorberer eller demper helt enhver relativ bevegelse mellom disse. Dette antall av lag kan i hylsen utmåles og tilpasses slik at de gir den ønske-de maksimale støtte og bæreevne til hvert bruksområde ved å variere antall, retning, skråttløpende vinkel og rekkefølge for lagene, for eksempel ved å skifte mellom aksiale lag og skråttløpende lag.

Materialene som brukes til disse lag i hylsen kan være alle typer som kan for-mes til duk, tråd eller fiber og som er sterke nok til å motstå de belastninger de blir utsatt for. Eksempler på slike materialer er naturlige og syntetisk-organiske fibre som polyamid, eksempelvis nylon: polyacrylnitril, f. eks. orlon: polyacrylat- eller metacrylat-ester: polyester, som f. eks. dacron: celluloseester som f. eks. celluloseacetat: celluloseether som f. eks. ethylcellulose: bomull: rayon: og uorganiske tråder eller fibre som fiberglass eller metall, f. eks. stål. De materialer som brukes kan varieres fra lag til lag innenfor hver bærende hylse. F. eks. kan fibrene i de aksialtliggende lag være forskjellig fra fibrene i de skråttløpende lag. Det endelige fibervalg er avhengig av om de går sammen med impregneringsstoffene, av styrke o. s. v. , ifølge hver enkelt hylses anvendelse.

Den ladningsbærende og omsluttende hylse har et mellomparti 12 som lages fjærende og fleksibelt ved impregnering med et harpiksmateriale som blir elastisk når det herdes. Det kjennes flere slike harpiksmaterialer, både syntetiske og naturlige, på dette område. Illustrerende for de foretrukne harpikser er elastomere som polysulfidgummier, f. eks. som gitt i U.S. Patent 2,466,963, naturlige gummier som f. eks. vulkanisert hevea-gummi, silikon- og substituerte silikon-gummier som f. eks. fluorosilikongummier, butylgummi som f. eks. copolymere av en større del isobuten og en mindre del isopren eller butadien: butadien-styrencopolymere: polyurethan-gummier: copolymere av ethylacrylat og klorethyl-vinyl-ether og lignende.

Det fjærende og fleksible mellomparti deler resten av hylsen i en fremre del 13 og en bakre, konisk del 14, som sees best på tverrsnittet i fig. 2.

Den ladningsbærende hylse 10 ifølge denne oppfinnelse kan fremstilles på hvilken som helst hensiktsmessig måte. F. eks. legges en rekke alternerende skrått - lagte, like lange, rektangulære lag 11 og 11' av nylonduk på hverandre og holdes mid-lertidig sammen ved hefting o.l. Lagenes bredde varieres jevnt til å danne den koniske bakre del 14. Mellompartiet 12 impregneres derpå med en elastomer som f. eks. polysulfidgummi for å få den fjærende og elastisk. Øvre og nedre del 13 og 14 impregneres derpå med et klebestoff, f. eks. et epoxy-harpiks klebestoff. Denne impregnering foretas vanligvis like før hylsens plasering i rakettmotoren. Ethvert annet vanlig harpiksklebemiddel slik som polyester-laminatharpikser og celluloseacetat kan også brukes.

Den bærende hylses størrelse og sammensetning kan varieres avhengig av

- slike faktorer som arten av belastning og mengden drivmasse plasert i hylsen i hvert

enkelt tilfelle. F.eks. kan den ene eller begge av øvre del 13 og nedre del 14 gjøres konisk i forskjellige vinkler for å stemme overens med den form de skal tilpasses. Men i andre tilfelle behøver ingen av disse partier konisk form.

Det henvises nå i detalj til fig. 2 og 3 hvor like deler har samme nummer, hvor en rakettmotor 20 består av et lag varmeisolasjon 21 av fenolharpiks ifylt as-best, bundet til et motorkammer 22 av metall, med et forbrenningshindrende belegg 23 av epoksy-polyamid-impregnert nylon bundet både til sidene og forpartiet hos en fast drivmasse 24, og en for-plate av metall 25 med en kuppelformet midtre del 26, et ringformet ytre parti 27 og en ringformet flens 28. Det faste drivstoff, drivmassen, er forbundet med for-platen ved hjelp av den fleksible hylsen 10 med sin fremre del 13 og bakre koniske del 14 impregnert med klebestoff som binder dem til den ringformede flens 28 og det forbrenningshindrende lag 23, respektivt. Forplaten holdes på plass i fremre ende av motorkammeret ved hjelp av en låse-ring 29 plasert i ringformede spor 30 og 31 i for-platen og kammeret, respektivt. Et annet spor 32

i for-platen holder de to ringformede spor 30 og 31 i riktig stilling til hverandre når dets nedre kant 33 er i flukt med øvre kant 34 i motorkammeret. Et tredje spor 35

i forplaten omsluttes av en O-ring 36 som tjener som lukker mellom motorkammer og forplate.

Et antall langsgående strimler 40 av mykt materiale, som skumblåst silikon-gummi, er bundet med mellomrom til ytre overflate av det forbrenningshindrende lag 23, hvilket er vist tydeligst på fig. 3. Et mykt parti av skumblåst silisiumgum-mi 41 med et antall ringformede kanaler 42 og forbindende kanaler 43 er også bundet til det forbrenningshindrende lag som dekker fremre del av drivmassen 24. De langsgående gummistrimler og det myke parti av gjennomboret skumgummi hindrer tverrgående bevegelse og aksial bevegelse forover, respektivt, av drivmassen i forhold til motorkammeret 22, og absorberer støt og vibrasjonspåkjenninger på massen under transport, utskyting og flyvning. Det myke materiale er også laget slik at det tillater utjevning av trykket over praktisk talt hele drivmassens overflate under antennelse og forbrenning av den forbrenningsferdige endeflate av massen 24 (ikke vist). Ettersom forbrenningsgassene utvikles, vil de utvide seg mot fremre del av rakett - motoren gjennom mellomrommene mellom de langsgående myke strimler og varme-isolasjonen 21 og mellom nabostrimlene selv. Denne utvidelse vil sammenpresse gassene i luftrommet 44, i et stort antall radielle kanaler 45 som går med mellomrom i flensen 28, og i det nettverk av ringformede og forbindende kanaler i det myke støtputemateriale 41, hvilket resulterer i en nærmest jevn trykkfordeling over hele drivmassen.

Generelt sett kan rakettmotorens forskjellige deler være av alle typer som er kjent på dette område, i tillegg til de forannevnte materialer. F. eks. kan det an-vendes fiberglass forplate og kammer, isolasjonen kan være asbestblandet gummi, det forbrenningshindrende belegg kan være nylon, dacron, fiberglass o. s. v. impregnert med polysulfidgummi, og støtputematerialet kan være en støtabsorberende skum-plast som polyurethan o. s. v. Det fast drivstoffet kan være av hvilken som helst type f. eks. med endeforbrenning eller indre forbrenning o.s.v. Drivstoffets sammensetning kan velges fra alle velkjente drivmasse-sammensetninger. Det kan f. eks. være nitrocellulose, et energisk mykningsmiddel som trimethylolethantrinitrat eller et sammensatt drivstoff bestående av et bindemiddel som polyvinylklorid og et oksyda-sjonsmiddel som ammoniumperklorat. Man kan også tilsette andre additiver som mo-difiserer de fysikalske og ballistiske egenskaper, slik som finpulverisert metall, tråd og myknere. Det er åpenbart at det endelige valg av materialer til hver av delene i raketten kan bestemmes ut fra hvert enkelt bruksområde.

Plaseringen av det faste drivstoff 24 i rakettmotoren 20 er enkelt utført. Drivmassen og for-platen 25 plaseres riktig i forhold til hverandre slik at den ytre overflate av støtputematerialet 41 på den koniske fremre del av drivmassen og den indre overflate av det kuppelformede midtparti 26 og flensen 28 på for-platen passer sammen. Etter impregnering av femre og bakre partier 13 og 14 med klebestoff, legges hylsen 10 omkring flensen og det forbrenningshindrende lag 23 på drivmassen og bindes til begge. Hver av hylsens partier kan enten bindes til sin respektive del av rakettmotoren med et klebestoff som ble brukt til sammenbinding av hylselagene, eller med et annet klebestoff som påføres fremre og bakre partier etter at hylsens lag er sammenføyet. Etter at klebemidlene er herdet, innsettes forplaten og tilhørende drivmasse i motorkammeret ved å presse dem inn i kammeret inntil nedre ende 33 i spor 32 er kant i kant med øvre kant 34 i kammeret. Så fullendes sammensetningen ved å innføre låseringen 29 gjennom en åpning 46 i motorkammeret og presse den gjennom de overfor hverandre stilte sirkulære spor 30 og 31 med en lufthammer eller lignende inntil den omgir for-platen og begge ender er synlige gjennom åpningen 46.

I tillegg til de fordeler som allerede er nevnt, fremkommer ennå et meget ønskelig forhold i denne oppfinnelse ved bruk av vår elastisk bærende omfatning. Det er vanlig å binde drivmassen permanent til drivkammeret gjennom en rekke sammen-føyde bindinger mellom de lag av materiale som omgir drivmassen. Hvis man imidlertid anvender den bærende omfatningshylse, kan forplaten og tilhørende drivmasse lettvint og raskt tas ut av motorkammeret etter fullstendig sammensetning. Hvis det derfor av en eller annen grunn, f. eks. alvorlige mekaniske rystelser under transport o. s. v. , skulle være ønskelig å ta ut drivmassen, er det bare nødvendig å fjerne låseringen og løfte ut forplaten med drivmasse fra motorkammeret. Både drivstoffet og motorkammerets indre kan så oversees og eventuelle ødelagte deler erstattes uten at det er nødvendig å kaste hele rakettmotoren.

Selv om den fleksible ladningsbærende hylse i denne oppfinnelse er beskrevet - i detalj, som støtte og bærer for faste drivstoff i et rakettmotorkammer, er det klart at en slik anordning har mange anvendelser utenfor rakettmotorfeltet.

Claims (5)

1. Lastbærende hylse for drivstoff, elektronisk utstyr, passasjerer etc. for fartøyer som akselererer hurtig f. eks. raketter, hvilken hylse omfatter et antall på hverandre liggende lag av harpiksimpregnert fibermateriale i form av en front - del, en mellomdel og en bakre del,karakterisert vedat lagene i den midtre del er impregnert med og bundet sammen av et harpiksmateriale som er elastisk etter herdningen slik at den midtre del blir ettergivende og fleksibel.

2. Lastbærende hylse som angitt i krav 1,karakterisert vedat de nevnte lag er av vevet duk.

3. Lastbærende hylse som angitt i krav 1,karakterisert vedat de nevnte lag består av organiske fibre.

4. Lastbærende hylse som angitt i en hvilken som helst av de foregående krav,karakterisert vedat harpiksmaterialet er polysulfidgummi og de nevnte lag er av nylonfiber som er impregnert med klebemiddel av epoksyharpiks i den forreste og bakre del.

5. Lastbærende hylse som angitt i en hvilken som helst av de foregående krav,karakterisert vedat frontdelen er forbundet med det forreste parti av et ra-kettmotorhus, mens den bakre del er forbundet med et fast drivstoff som er anbrakt inne i huset.