NO774031L - Rakettdysesystem. - Google Patents

Abstract

Rakettdysesystem.

Description

Foreliggende oppfinnelse angår generelt rakettmotorer med fast drivstoff og mer bestemt et forbedret rakettdysesystem for anvendelse på slike motorer.

Rakettmotorer er i alminnelighet klassifisert enten

som motorer med flytende drivstoff, motorer med fast driv-

stoff eller hybride motorer (det vil si med en kombinasjon av flytende og fast drivstoff). Selv om foreliggende oppfinnelse kan benyttes sammen med en hvilken som helst av de ovennevnte typer rakettmotorer er oppfinnelsen spesielt egnet for rakettmotorer med fast drivstoff. Av denne grunn følger nedenfor en kort gjennomgåelse av rakettmotorer med- fast drivstoff.

I rakettmotorer med fast drivstoff inneholdes drivstoffet i fast form i forbrenningskammeret. I tillegg til forbrenningskammeret er de andre hoveddeler av en motor med fast drivstoff, på samme måte som i andre rakettmotorer, dyse og tennanordning. De faste drivstoffer har /vanligvis.. et,.kake-.liknende utseende (kornaktig) og brenner på deres frilagte flater for å danne varme eksosgasser som drives ut gjennom dysen.

De faste drivstoffkorn inneholder alle stoffer som

er nødvendige for å underholde forbrenningen. Drivstoffet kan være en blanding av forskjellige kjemikalier, f.eks. en blanding av ammoniumperklorat i en matrise av organisk brensel, såsom gummi,eller drivstoffet kan være en homogen ladning av spesielle oksyderende organiske stoffer, såsom nitrocellulose eller nitroglycerin.. Etterat drivstoffet er antent, brenner kornene jevnt på den frilagte flate i en retning perpendikulært på brennflaten.

Kammeret holder på plass drivstoffkornene og reaksjons-produktene fra forbrenningen. Kammeret er i alminnelighet laget av sterkt materiale, såsom stållegeringer eller fiberfor-sterket plast og blir ofte beskyttet på de utsatte flater mot for stor oppvarmning ved hjelp av innvendig isolerende lag som er laget enten av en langsomtbrennende gummiaktig foring eller en plastforing og noen ganger av en keramisk isolator. Denne foring som er et tynt lag mot veggen av kammerets hus, tjener ikke bare som en varmeisolator, men også som et middel som gir god vedheftning eller binding av korn til huset.

Forbrenningskamrene,er vanligvis sylindriske i form med elliptiske eller kuleformede ender. Membraner, lukkeanord-ninger som blåses ut eller andre sikkerhetsforanstaltninger er blitt benyttet for å hindre at trykket i kammeret blir for høyt. Ved noen utførelser blir membraner som brister med hen-sikt sprengt for å stanse utøvelse av skyvekraft på et på forhånd bestemt tidspunkt. Hvis kornene ikke er bundet til huset har kammeret i alminnelighet midler som holder korn på plass og holder det riktig slik at akselerasjonen av fartøyet ikke vil drive kornene ut i dysen. Ved disse utførelser er en ende av kammeret vanligvis avtagbar for fylling av korn. Når kornene er bundet til huset, er monteringsåpningen vanligvis mindre enn den maksimale diameter av enheten og akkurat stor nok til innføring og senere uttrekning av en dor. I tillegg har kammeret vanligvis festemidler for anbringelse av raketten på fartøyet og for lukning mot fuktighet som ville føre til for-ringelse av visse kornformede kjemikalier.

Den sterkeste oppvarmning av.de harde deler finner sted ved eksosdysen. Her vil gasser som strømmer med stor hastighet og har høye forbrenningstemperaturer oksydere, mykne, slite og erodere dysematerialet. Hvis dysehalsen blir erodert usymmetrisk, ville skyvekraftvektorens retning kunne forandre seg og føre til at fartøyets flukt blir uriktig. Av denne grunn er det ofte ønskelig å anbringe spesielle varmebest.andige keramiske innsatser eller grafittinnsatser i dysehalsens om-råde for å redusere usymmetrisk utvidelse av dette dyseområde. Keramiske dyser har lenge vært anvendt med hell, men deres effektivitet overfor drivstoffer med høy temperatur synes å være begrenset til omtrent to minutter. Det er derfor viktig for best mulig drift av en rakettmotor med fast drivstoff å komme frem til den rakettdyse som er i stand til å arbeide

effektivt, økonomisk og pålitelig under høy temperatur.

Ved foreliggende oppfinnelse er man kommet frem til

et dysesystem for rakettmotorer av den nevnte art, der man har unngått de problemer som er nevnt ovenfor og som man støter på ved tidligere kjente dyser.

Rakettdysesystemet i henhold til oppfinnelsen kan.,, selv om det er egnet for rakettmotorer med fast drivstoff, benyttes i enhver type rakettmotor som arbeider med høye temperaturer. Dysesystemet i henhold til oppfinnelsen er hovedsake-lig bygget opp av et aktre lukkeskall av bløtt stål og en aktre lukkeisolator som danner en flerhet av dyser. I alminnelighet vil man med foreliggende oppfinnelse få en god virkning av rakettmotoren når det benyttes fire dyser som er utformet i isolatoren .

Dysesystemet i henhold til oppfinnelsen innbefatter mer i detalj fire Carb-I-Tex-700 halsinnsatser med ekspansjons-skiver av nylonpapir som forbrukes, anbrakt i fire støpte karbon/ fenol (MXC-313) konuser eller dyser og fire koniske utløps-hylser av bløtt stål. Den aktre lukkeisolator innbefattende de fire utløpskonuser, blir støpt som ett stykke i det aktre lukkeskall av stål med halsinnsatser, skiver og utløpshylser på plass. En slik teknikk med å støpe alle aktre lukke/dysekomponenter i ett stykke i én operasjon øker påliteligheten og reproduserbar-heten, samtidig med at man oppnår en betydelig besparelse i omkostninger sammenliknet med vanlige fremgangsmåter til frem-stilling og montering.

Formålet med foreliggende oppfinnelse er derfor å komme frem til et dysesystem for rakettmotorer der man får den nødvendige styrke og varmebestandighet under drift ved høye temperaturer, samtidig med at disse systemer arbeider pålitelig under de nevnte ekstreme temperaturer fra det faste drivstoff. Videre skal disse systemer være økonomiske å fremstille og dessuten benytte vanlige tilgjengelige komponenter som kan tilpasses standard masseproduksjon.

Oppfinnelsen er kjennetegnet ved de i kravene gjen-gitte trekk og vil i det følgende bli forklart nærmere under henvisning til tegningen der: Fig. 1 viser et dysesystem i henhold til oppfinnelsen, sett fra en ende og

fig. 2 viser et snitt gjennom rakettmotorens dysesystem i henhold til oppfinnelsen, tatt etter linjene 2-2 på fig. I-

På fig. 1 og 2 vises rakettmotorens dysesystem 10

i henhold til oppfinnelsen, montert på forbrenningskammeret 12 for en hvilken som helst vanlig rakettmotor 14. Selv om en hvilken som helst vanlig rakettmotor kan benyttes sammen med foreliggende oppfinnelse får man de beste resultater og den høyeste virkningsgrad ved anvendelse av dysesystemet 10 på en rakettmotor 14 med fast drivstoff.

I tilknytning til forbrenningskammeret 12 og.som en hoveddel av dysesystemet 10 i henhold til oppfinnelsen finnes en aktre lukkeisolator 16. Den aktre lukkeisolator 16 har istøpt dyser eller utløpskonuser 18. Selv om man kan benytte hvilket som helst antall dyser i isolatoren 16 vil fire dyser 18 gi meget pålitelig drift av rakettmotoren. Hele kombinasjonen av de, aktre lukke- og utløpskonuser 16 er laget av et hvilket som helst passende isolerende og lite eroderende materiale, såsom MXC-313 som fremstilles av Fiberite Corporation, Winona, Minne-sota. Dette materiale er et ablativt karbonfiber/fenolmateriale som har tilstrekkelig isolerende egenskaper og motstand mot erosjon, såvel som de fysiske egenskaper som kreves for tilfredsstillende støping med høy produksjonshastighet. I tillegg til dette er materialet i stand til å tåle de sterke eroderende forhold i mønstre med fire dyser i henhold til oppfinnelsen, samtidig med at det gir tilfredsstillende varmebeskyttelse.

Mønstre ved innløps- og utløpsseksjonene 20 og 22 eller hver dyse 18 er støpt i akterlukkeisolatoren 16. Innløps-seksjonene 20 er spesielt utformet og for å gi jevn innstrøm-ning av gasser i hver hals 24 slik at man får minst mulig erosjon av isolatoren og best mulig drift av motoren. Hver hals 24 i dysene 18 har i v. en utsparing 25 en innsats 26 av Carb-I-Tex 700 fremstilt av Carborundem Co., Pittsburgh, Pennsylvania. Halsinnsatsene 26 er sylindriske på utsiden med en konisk bakre ende. De har en sylindrisk halsdiameter på omtrent 6,9 mm og strekker seg over en nominell aksial lengde på 2,54 mm. Den sylindriske form er lettest å fremstille og lettest å kontrol-lere når det gjelder dimensjoner, samtidig med at man får en minimal halserosjon. Hver innsats 26 har en nylonskive 28 som forbrukes og sitter ved den forreste ende 30 slik at den, på grunn av oppvarmning, kan utvide seg i lengderetningen under avfyring og derved avlaste påkjenninger og hindre at.innsatsen sprekker og eventuelt drives ut.

De fire halsinnsatser 26 er likt fordelt rundt en sirkel med en radius på 19,3 mm og med sentrum på senterlinjen for det aktre lukke. Denne plasering er den beste radielle stil-ling som passer til riktig drift av rakettmotoren 14. Utløps-konusene eller dysene 11 har en halvvinkel på 11,5° og et ut-videlsesforhold på 8,6. Deres utløpsdiameter (20,2 mm) er begrenset av motorhuset og kravet til tilstrekkelig veggtykkelse som skal tåle erosjon.

Det materiale som er valgt for halsinnsatsene 26, Carb-I-Tex 700 , er et pyrolysert grafittekstillaminat. Dette materiale har en høy trykkstyrke på 1470 kg/cm på tvers av laminatkornene, det vil si i det plan der man regner med de høyeste påkjenninger under avfyring.

I tillegg til dette vil materialet lett tåle støper trykk på 490 kg/cm . Materialet har en strekkfasthet på 532 kg/ cm 2 langs laminatkornene og 35 kg/cm 2 på tvers av laminatkornene. Anvendelse av dette materiale i dysesystemet 10 i henhold til oppfinnelsen gir ikke bare høy styrke' og seighet, men opphever også sprekkdannelser som man lett får i støpte stykker.

Skivene 28 er laget av ett eller annet hensiktsmessig materiale, f.eks. Nomex 410 Nylonpapir (omtrent 5 mm tykt) fremstilt av Dupont Corporation, Wilmington, Delaware. Denne skive 28 fortæres ved 370°C for dermed å skape et gap for termisk lengdeutvidelse av halsinnsatsen 26 av avfyring. Materialet har de egenskaper som er nødvendige for å tåle støpetemperaturen

på l60°C og støpe trykket på 490 kg/cm<2>, noe som fører til en maksimal reduksjon i tykkelse på 0,075 mm. Nomex 410 er en kombinasjon av to former for langkjedede syntetiske polymerer, fiberholdige bindepartikler og fibre med korte lengder (6,25 mm). Etter behandling på vanlig papirfremstillingsutstyr blir fiber-partiklene og de korte fibre permanent bundet til hverandre ved en varmkallandreringsprosess.

En hylse-32 rundt utløpskonusen er laget av et passende materiale såsom bløtt stål, og omgir hver dyse eller ut-løpskonus 18. Den aktre lukkeisolator 16 med sine fire utløps- konuser eller dyser 18 blir støpt som ett stykke i det aktre lukkeskall 34 med halsinnsatser 26, skiver 28 og hylsene 32 for utløpskonusene på plass. Det materiale som er valgt for det aktre lukkeskall 34 er lett bearbeidbart,koldtrukket stålstang-materiale 1117 med lavt karboninnhold. Stål har mer enn tilstrekkelig mekaniske egenskaper for anvendelse sammen med foreliggende oppfinnelse på grunn av dets styrke, bearbeidbarhet og lave omkostninger ved hurtig masseproduksjon. Skallet 34 er kadmiert for å gi den korrosjonsmotstand man må ha overfor de ventede betingelser i omgivelsene. Alle bearbeidede flater er maskinert og tilpasser den funksjon de skal ha og for best mulig virkningsgrad. I tillegg har alle sammenpassende flater tilstrekkelig toleranse for den nødvendige pakning, samtidig med at bearbeiding med lave omkostninger og minimal kontroll blir mulig.

I tillegg finnes det anordninger på det bakre lukkeskall 34 for feste av finner på en forlengelse 36 og en tennanordning i en åpning 38. Hele den bakre lukkeanordning som innbefatter det aktre lukkeskall 34 og den aktre lukkeisolator 16 er festet til forbrenningskammeret 15 med passende festemidler, f. eks., en innlagt låsetråd 40. Det aktre lukkeskall 34 er for-seglet til kammeret 12 med en vanlig 0-ring 42 med passende iso-lasjon. Isolasjonen gir dessuten beskyttelse i sammenføyningen og den aktre lukkeisolator 16 mot erosjon på grunn av gass-strømmen under hele avfyringens varighet.

Den aktre lukkeisolator 16 som er støpt i ett med det øvrige av MXC-3135sørger for at skallets styrke bevares ved at det ikke oppstår noen varme punkter. Under avfyringer har isolatoren 16 vist seg å ha en gjennomsnitlig erosjonshastighet på 0,4 mm/sek. og en gjennomsnitlig forkullingsdybde på 3 mm like foran halsinnsatsen 26. En varmeoverføringsanalyse viser at isolatoren 16 holder temperaturen på det aktre lukkeskall 34 godt innenfor de nødvendige 150°C for tilstrekkelig material-styrke .

Siden Carb-I-Tex 700 i halsinnsatsene 26 dessuten har meget høye trykkstyrker kan innsatsene 26 lett tilpasses for anvendelse i den sammenstøpte utførelse av akterlukket som forklart ovenfor.

Claims (10)

1. Rakettdysesystem, omfattende en bærekonstruksjon som er i ett med minst en dyse som har innløpsseksjon og utløps-seksjon, karakterisert ved at den har en hals anbrakt mellom innløps- og utløpsseksjonene for dysen, hvilken halsinnsats er av pyrolysert graf ittekstillaminat . som.,er. festet i dysens halsseksjon med en skive anbrakt mellom halsseksjone og innløpsseksjonen til dysen, hvilken skive er laget av et materiale som fortæres ved en på forhånd bestemt temperatur og ved at det omfatter et stålhus som omgir den bærende konstruksjon, hvilken bærende konstruksjon er støpt som ett stykke i stålhuset.

2. Rakettdysesystem som angitt i krav 1, karakterisert ved en flerhet av dyser som er utformet i ett med bærekonstruksjonen, der hver av dysene har en innløps-seksj on og en utløpsseksjon, en hals anbrakt mellom innløps-og utløpsseksjonene i dysene, en halsinnsats av pyrolysert grafittekstillaminat festet i hver av halsseksjonene og en skive anbrakt mellom halsinnsatsen og innløpsseksjonen for hver av dysene, der hver av skivene er av et materiale som fortæres ved en på forhånd bestemt temperatur.

3. Rakettdysesystem som angitt i krav 2, karakterisert ved at halsinnsatsene har en sylindrisk ytterdiameter og en konisk akterende.

4. Rakettdysesystem som angitt i krav J>, karakterisert ved at flerheten av dyser er likt fordelt på'en radius rundt en senterlinje for bærekonstruksjonen.

5. Rakettdysesystem som angitt i krav 4, karakterisert ved at halsinnsatsene er likt fordelt på en sirkel med radius på 19,3 mm rundt bærekonstruksjonens senterlinj e.

6. Rakettdysesystem som angitt i krav 4, karakterisert ved at halsinnsatsene er laget av Carb-I-Tex 700.

7. Rakettdysesystem som angitt i krav 6, karakterisert ved at bærekonstruksjonen er laget av isolerende materiale og at hver dyse er omgitt av en hylse av stål.

8. Anordning ved rakettmotor med et forbrenningskammer og et dysesystem, karakterisert ved at dysesystemet omfatter en isolerende lukket konstruksjon anbrakt i tilknytning til forbrenningskammeret, hvilken lukkede konstruksjon har en flerhet av. dyser som er utført i ett med konstruk-sjonen, der hver av dysene har en innløpsseksjon og en utløps-seksjon, en hals mellom innløps- og utløpsseksjonene for hver dyse, en halsinnsats av et pyrolysert grafittekstillaminat festet i hver av halsseksjonene, en skive anbrakt mellom halsinnsatsen og innløpsseksjonen for hver dyse, der hver av skivene er av et materiale som fortæres ved en på forhånd bestemt temperatur, et stålhus som omgir lukkekonstruksjonen, hvilken lukke-konstruksjon er støpt som ett stykke i stålhuset og anordninger forbundet med huset for feste av dette til forbrenningskammeret.

9. Anordning ved rakettmotor som angitt i krav 8, karakterisert ved at halsinnsatsene har en sylindrisk ytterdiameter og en konisk akterende.

10. Anordning ved rakettmotor som angitt i krav 9, karakterisert ved at en flerhet av dyser er likt fordelt med samme radius rundt senterlinjen for lukkekonstruk-sj onen.