WO2010052095A2 - Schutzstruktur und deren verwendung - Google Patents

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WO2010052095A2
WO2010052095A2 PCT/EP2009/063237 EP2009063237W WO2010052095A2 WO 2010052095 A2 WO2010052095 A2 WO 2010052095A2 EP 2009063237 W EP2009063237 W EP 2009063237W WO 2010052095 A2 WO2010052095 A2 WO 2010052095A2
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material region
structure according
medium
protective structure
region
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Markus Kuhn
Hermann Hald
Waldemar Rotärmel
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Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64C—AEROPLANES; HELICOPTERS
    • B64C1/00—Fuselages; Constructional features common to fuselages, wings, stabilising surfaces or the like
    • B64C1/38—Constructions adapted to reduce effects of aerodynamic or other external heating
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64C—AEROPLANES; HELICOPTERS
    • B64C3/00—Wings
    • B64C3/36—Structures adapted to reduce effects of aerodynamic or other external heating
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64G—COSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
    • B64G1/00—Cosmonautic vehicles
    • B64G1/22—Parts of, or equipment specially adapted for fitting in or to, cosmonautic vehicles
    • B64G1/52—Protection, safety or emergency devices; Survival aids
    • B64G1/58—Thermal protection, e.g. heat shields

Definitions

  • the invention relates to a protective structure.
  • a thermal protection system for spacecraft which comprises an outer layer which is coupled to an outer holding structure.
  • This outer layer comprises a front side and a rear side, which are connected via a connecting region.
  • the back in turn is coupled to the outer support structure.
  • the front side, the back side and the connection area define an internal cavity in which an ablative material is accommodated.
  • the outer layer is porous.
  • US Pat. No. 7,055,781 B2 discloses a device for surface cooling which comprises a porous layer which is connected to an outer structural wall and comprises a ceramic foam insulating layer. In the outer structural wall openings are arranged, via which a stream of cooling fluid of the porous layer can be provided.
  • a vehicle which comprises a pair of spaced layers of structural material, an outer layer being porous and exposed to a flow of air, an absorbent filling material placed between the layers, means for conducting heat are provided by the filling material, means for distributing a cooling medium in the filling material are present, and the cooling medium can absorb high amounts of heat during evaporation.
  • a coolable segment for a turbomachine is known, wherein the turbomachine is operated by means of a hot fluid.
  • the segment includes a cooling wall extending in an axial direction, and in a circumferential direction orthogonal to the axial direction, there is provided a hot fluid surface exposed to the hot fluid. Between the cooling wall and the hot fluid surface is a cooling structure which is permeable to cooling fluid and provides cooling surfaces for cooling by heat transfer via radiation.
  • a layer structure which consists of a substrate and an at least partially porous, partially gas-permeable layer on the substrate, wherein the substrate has cooling channels through which a cooling medium can pass through the substrate into the porous layer.
  • the porous layer has pores bounded by walls, at least partially on the walls of which there is a coating.
  • the invention has for its object to provide a protective structure which is self-activating and has high protection properties.
  • the protective structure comprises a first material region with a surface facing into the outer space and an inner boundary surface, wherein channels for fluid guidance run between the outer surface and the inner boundary surface, and comprises a second material region, which at least in partial regions is thermally connected to the inner interface of the first material region and which is formed porous, wherein in pores a reaction Storage medium and / or cooling medium is stored and run channels to the inner boundary surface of the first material region for fluid guidance.
  • the inventive solution provides an active protective structure, which provides a reaction medium and / or cooling medium in an "emergency", wherein this provision is possible by a particular thermal and / or chemical self-activation (without external activation).
  • the protective structure itself is passively formed; the reaction medium and / or cooling medium is incorporated in the protective structure itself.
  • the protective structure receives its contour in the application, d. H. it is geometrically stable.
  • the aerodynamic properties of a missile if, for example, the protective structure is designed as a thermal protection system when entering the atmosphere) are not adversely affected by excessive material removal.
  • the thermal connection between the first material region and the second material region ensures heat conduction. It can thereby transport sufficient heat in the second material area, so that the heat transfer is no longer purely radiation-related. As a result, for example, a cooling medium more quickly perform one or more phase changes. As a result, increased efficiency can be achieved, for example, in the case of transpiration cooling and / or effusion cooling.
  • reaction medium and / or cooling medium can be stored in the second material region. It is possible to store solid, gaseous, liquid reaction media and / or cooling media or reaction media and / or cooling media in gel form. In principle, it is also possible to store a reaction medium, which can neutralize a chemical Beaufschlagungsstoff on exit to the surface. If necessary, local damage sites on the surface can also be clumped and sealed.
  • cooling medium and / or reaction medium can also be incorporated in the first material region.
  • the first material region is made of a material which has a high level of stability with appropriate thermal loading or chemical loading.
  • the first material region is made of a material which has a high thermal conductivity and preferably also a high emissivity. This ensures that this material withstands high temperatures. This in turn makes it possible to keep the proportion of later activated cooling medium low.
  • the first material region has a high resistance to potential reaction media in the event of chemical exposure to chemical attack.
  • the protective structure according to the invention can also be reused by "refilling" the first material region and / or the second material region, i. H. Cooling medium and / or reaction medium is stored again after a “draining".
  • the solution according to the invention can also be realized, for example, in training as a thermal protection system in conjunction with lightweight construction concepts, since thinner structures (for the protective structure and elements to be protected) are made possible due to increased cooling efficiency. It is favorable if the first material region or the second material region is open-porous. Thereby, channels are provided to transport reaction medium and / or cooling medium from the second material region to the inner boundary surface of the first material region and to transport reaction medium and / or cooling medium from this inner boundary surface to the surface.
  • the second material region has a higher porosity than the first material region.
  • the pores in the second material area are used for storage of cooling medium and / or reaction medium. By a larger porosity can store a large amount of reaction medium and / or cooling medium.
  • first material region and / or the second material region may have channels formed by cracks and / or bores in order to enable fluid transport.
  • a layer of activator medium is arranged on the surface of the first material region facing into the outer space and / or the channels of the first material region are infiltrated with activator medium, wherein the activator medium closes the channels to the outer space and wherein the activator medium thermally and / or is chemically activated to open the channels to the outside.
  • the activator medium closes the channels in order to prevent leakage of the reaction medium and / or cooling medium in the non-use case. For example, if the reaction medium and / or cooling medium is under pressure, it may leak out through the first area of material. The activator medium prevents this. By infiltrating the channels and a higher pressure stability can be achieved when the reaction medium and / or cooling medium is pressurized.
  • the activator medium effects a seal in the first material area. It is basically possible that the channels only partially along a channel direction with active tormedium are infiltrated or that they are completely infiltrated with activator medium.
  • the surface or contour of the protective structure is at least minimally influenced upon activation and decomposition of the activator medium. This may be advantageous, for example, in missile applications.
  • a layer of activator medium is arranged on the surface. This can be advantageous, for example, if the first material region is open-porous in order to obtain a smooth surface. Such a smooth surface may be desired for aesthetic reasons or may be advantageous for certain applications.
  • the activation of the activator medium can take place, for example, thermally.
  • the activator medium can decompose or melt and thereby release the channels.
  • a chemical activation is possible in principle. During the chemical activation, the activator medium reacts with an externally supplied reactant and releases the channels, so that in turn reaction medium and / or cooling medium can be released from the second material region.
  • the second material region is fluidically connected to a reservoir device for reaction medium and / or cooling medium.
  • This can nach greetingn reaction medium and / or cooling medium.
  • it is thereby also possible to pressurize the reaction medium and / or cooling medium in order to provide an overpressure which drives reaction medium and / or cooling medium from the second material region into the first material region.
  • the reservoir means is formed by or comprises such a third material region.
  • the third area of the material is in particular connected to the second area of the material over the entire area in order to be able to convey the reaction medium and / or the cooling medium to the second area of the material over a high area.
  • a holding structure is expediently provided on which the combination of the first material region and the second material region is fixed.
  • the holding structure is itself fixed to an application or part of the application.
  • reaction medium and / or cooling medium which is incorporated in the second material region, can be incorporated in gaseous, solid or liquid form or it can be incorporated as a gel.
  • reaction medium and / or cooling medium which is incorporated in the second material region, can be incorporated in gaseous, solid or liquid form or it can be incorporated as a gel.
  • fundamentally different states of aggregation are possible.
  • reaction medium and / or cooling medium can be conveyed by capillary action and / or by overpressure of the reaction medium and / or cooling medium from the second material region to the surface of the first material region.
  • this makes it possible to achieve automatic conveyance to the surface when the protective structure is activated.
  • first material region and / or the second material region are formed with homogeneous material properties. But it is also possible that these are graduated, d. H. that the material properties vary in one or more directions and in particular a variable porosity is set.
  • first material region and the second material region are formed integrally with each other.
  • the reaction medium and / or cooling medium is incorporated in the second material region.
  • the corresponding structure is filled to a certain depth below the outer surface with reaction medium and / or cooling medium.
  • first material region and the second material region may be produced by separate material layers.
  • a thermal insulating layer is arranged between the first material region and the second material. The thermal insulation layer ensures that the second material area is not heated as much and high temperatures are essentially limited to the first material area. A temperature reduction to the second material area is achieved.
  • the thermal insulation layer is multi-connected, i. H. it has spaced "holes" on. In turn, it is possible to introduce a heat flow from the first material region into the second material region through these holes.
  • the first material region and the second material region are thermally connected in the region of holes of the thermal insulation element.
  • heat can be introduced from the first material region and thus from the outer space in the second material region in order, for example, to achieve rapid phase changes and thus to achieve efficient cooling during transpiration cooling and / or effusion cooling.
  • webs project into the second material region at holes of the insulating layer from the first material region.
  • the webs in particular fill out the holes and are surrounded by the material of the second material region and form an inner boundary surface on the second material region. As a result, heat can be effectively coupled into the second material area.
  • webs protrude to a support structure for the second material region or up to a third material region, on which the second material region is arranged protrude. This results in an effective support, so that the protective structure has a high mechanical stability. It can be provided that webs are cuboid and / or pyramidal and / or truncated pyramidal and / or conical and / or frusto-conical and / or wedge-shaped and / or wedge-shaped and / or cylindrical. This makes it possible to provide a large surface, which is an inner boundary surface to the second material region. This in turn results in an effective heat input into the second material region.
  • the webs are made of the material of the first material region. In particular, they are integrally (cohesively) connected to the first material area. This results in an effective heat input.
  • the first material region (and / or the second material region) is made of a fibrous material or fibrous ceramic material or ceramic material.
  • a material can be formed open-porous.
  • the material for the first material region is, for example, a carbon-based fiber ceramic with or without carbon fibers or an oxide ceramic fiber ceramic or a sintered ceramic.
  • Other materials are possible, such as metallic, open-pore (hollow) ball packs or open-pore sintered metals.
  • the first material region is made of graphite or C / C or SiC or C-SiC or C / C-SiC.
  • the cooling medium is preferably chosen such that a transpiration cooling and / or effusion cooling takes place.
  • a transpiration cooling and / or effusion cooling convective cooling takes place by outflow of the cooling medium. It forms a thermal block boundary layer on the outer side of the protective structure and it is achieved a reduction of the heat flow occurring. Additional absorption of the melting and evaporation enthalpy improves the cooling effect.
  • the protective structure according to the invention can be used, for example, as a thermal protection system for a missile or for a combustion chamber or for an oven or for the fire protection of a building or for a reactor.
  • the protective structure according to the invention in the neutralization of chemical substances, wherein a reactant for a chemical substance acting on the protective structure is chosen as the reaction medium.
  • a reactant for a chemical substance acting on the protective structure is chosen as the reaction medium.
  • the reaction medium can escape and react with the impinging chemical substance and neutralize it.
  • the reaction product occurs clumped defects on the surface and, for example, a seal is performed.
  • Figure 1 is a schematic representation of a portion of a protective structure according to the invention.
  • Figure 2 is a schematic representation of a portion of a second embodiment of a protective structure according to the invention.
  • Figure 3 is a partial perspective view of a third
  • FIG. 4 shows a sectional view of the protective structure according to FIG. 3; and Figure 5 is a view similar to Figure 4 with an alternative web formation.
  • FIG. 1 A first exemplary embodiment of a protective structure according to the invention, which is shown schematically in FIG. 1 in a partial view and designated therein by 10, is arranged on an element 12 to be protected.
  • the protective structure 10 for this purpose comprises a holding structure 14 which is fixed to the element 12 to be protected.
  • the support structure 14 is bonded to the element 12 to be protected or connected in some other way.
  • the element 12 to be protected and the support structure 14 are integrally formed.
  • the support structure 14 carries a first material region 16 and a second material region 18.
  • the first material region 16 is an outer material region that has a surface 20 that points into the outer space 22.
  • the first material region 16 has an inner boundary surface 24 with respect to the second material region 18. Via the inner boundary surface 24, the second material region 18 and the first material region 16 are connected to one another, wherein a thermal contact is established. In the case of the protective structure 10, a full-area contact between the first material region 16 and the second material region 18 is provided at the inner boundary surface 24, so that a full-surface thermal contact is also produced. Further below, embodiments are explained in which the thermal contact is made only in partial areas.
  • channels 26 are arranged, which serve for fluid guidance and extend from the inner boundary surface 24 to the surface 20.
  • the channels 26 are indicated schematically in the detail enlargement A.
  • the channels serve to guide fluid through the first material region 16 to the surface 20.
  • the corresponding fluid can be used as a cooling medium, in particular to realize a transpiration cooling and / or effusion cooling. It is also possible in principle that the corresponding fluid is a reaction medium which serves, for example, as a reactant to neutralize a medium with which the protective structure 10 is acted upon. This will be explained in more detail below.
  • the channels 26 can be realized in different ways. For example, they can be made “macroscopically”, such as by drilling. They can be produced “microscopically” by cracks in the first material region 16.
  • the first material region 16 can be made open-porous and, as a result, a channel structure can be formed in the first material region 16. Also combinations of different channel designs are possible.
  • the second material region 18 is a reservoir region. It is porous with pores 28 (enlarged detail B in FIG. 1), in which reaction medium and / or cooling medium 30 is embedded. Channels 32 are formed in the second material region 18, via which reaction medium and / or cooling medium 30 can reach the inner boundary surface 24 and from there to the surface 20.
  • the channels 32 are formed for example by an open-porous structure in which the pores 28 are connected to each other. In principle, the channels 32 can also be produced, for example, by cracks or the like.
  • the second material region 18 has a smaller density than the first material region 16 (wherein the filling of the pores 28 by reaction medium and / or cooling medium 30 in the second material region 18 is not taken into account in the density determination, ie the pores 28 are considered as "empty" pores ). If the first material region 16 is porous, then the second material region 18 has a higher porosity than the first Material region 16, ie, the relative pore content in the second material region 18 is greater than in the first material region 16.
  • the second material region 18 is in communication with a reservoir device 34, which delivers reaction medium and / or cooling medium, wherein this reaction medium and / or cooling medium is under pressure, for example.
  • reaction medium and / or cooling medium 30 may be incorporated in the second material region 18 in solid form, liquid form, gaseous form or as a gel. If the reaction medium and / or cooling medium 30 is incorporated in non-fluid form (ie in non-flowable form) and incorporated, for example, as a solid (for example in powder form or in solid material form), then thermal treatment of the first material region 16 is possible Her transformation into a flowable material possible.
  • the channels 26 in the first material region 16 are closed toward the surface 20 by an activator medium 36. This prevents the reaction medium and / or cooling medium 30 from being able to escape through the channels 26 if there is no protective application of the protective structure 10.
  • the activator medium 36 infiltrates the channels 32, as indicated in FIG. 1, sectional view A by the reference numeral 38.
  • a layer 40 of activator medium 36 may be arranged on the surface 20 of the first material region 16.
  • This layer 40 does not necessarily have to be coherent.
  • the layer 40 serves to produce a uniform and, in particular, smooth surface on the first material region 16, if it is porous. This may be required, for example, regardless of technical requirements also by aesthetic requirements in certain applications.
  • the activator medium 36 can be activated thermally and / or chemically. During thermal activation, the activator medium 36 decomposes above a certain temperature threshold. Thereby, the channels 26 are opened to the surface 20 and reaction medium and / or cooling medium 30 can escape.
  • the activator medium 36 reacts with a reactant applied from the outside (via the outer space 22) and decomposes in order to release the channels 26 as described above, so that once again reaction medium and / or cooling medium 30 can emerge.
  • the transport of reaction medium and / or cooling medium 30 through the channels 26 in the first material region 16, including transport to the first material region 16, is driven, for example, by capillary forces and / or driven by pressurization of the reaction medium and / or cooling medium in the second material region 18 ,
  • the protection structure 10 works as follows:
  • the protective structure 10 serves, for example, as a thermal protection structure for the element 12.
  • the stored medium is a cooling medium and the activator medium 36 is thermally activated.
  • the protective structure 10 is arranged on the element 12. If this system is exposed to a "too high" temperature, which is above a temperature threshold, then the activator medium 36 is activated. The sealing of the first material region 16 is canceled by decomposition of the activator medium 36 and the channels 26 are released. Coolant 30, which is stored in the second material region 18, can then pass from the second material region 18 through the first material region 16 to the surface 20. The second material region 18 can optionally be replenished by the reservoir medium 34 cooling medium. After activation of the activator medium 36, the first material region 16 can be flowed through by cooling medium. The thermal activation of the activator medium 36, which is in particular a melting or sublimation, the fluid paths are released through the first material region 16 to the surface 20. The second material region 18 can also be flowed through in order to be able to provide cooling medium to the first material region 16.
  • the flow through the second material region 18 and the first material region 16 is driven by capillary forces and / or overpressure of the cooling medium.
  • the cooling effect can be improved by using a liquid or solid cooling medium by additionally recording the melting and evaporation enthalpy.
  • the first material region 16 is thermally coupled to the second material region 18.
  • the pores 28 are surrounded by solid material of the second material region 18. This results in an optimized heat input; Heat can be effectively coupled from the surface 20 into the second material region 18. As a result, more heat is supplied to the cooling medium in comparison to a purely radiation-induced heating. This allows the cooling medium faster one or two phase changes; this in turn increases the efficiency of cooling. Compared to a purely radiation-induced heat exchange required in the inventive solution for a phase change of the cooling medium heat input by lower temperatures of the first material region 16 can be achieved.
  • cooling medium 30 in the second material region 18 can not be stored only in solid form (for example in powder form). In principle, it is also possible that it is incorporated in liquid form or as a gel or as a gas.
  • first material region 16 and the second material region 18 are integrally connected to each other and in particular consist of the same material, which is designed differently.
  • this material then has a smaller porosity in the first material region 16 than in the second material region 18. In this sense, the first material region 16 and the second material region 18 are then formed in their combination as one layer.
  • first material region 16 and the second material region 18 are separate layers.
  • the choice of material of the activator medium 36, the material for the first material region 16 and the material for the second material region 18 depends on the application.
  • the first material region 16 is made, for example, from a porous fibrous ceramic material such as C / C or from graphite. Depending on the application, the fibers may be parallel or perpendicular or in other orientations to the surface 20.
  • the first material region 16 may also be made of other carbon-based fiber ceramics such as SiC, C-SiC, C / C-SiC and so on. It may be made of sintered ceramic materials or oxide ceramic fiber-ceramic materials. It can also be made, for example, from metallic, open-pore (hollow) ball packs or from open-pore sintered metals.
  • the activator medium is, for example, a wax, an epoxy resin or a lacquer. Other types of activator medium are possible.
  • the second material region 18 is made of a highly porous material such as C / C. (In a material such as C / C, the porosity can generally be well adjusted.) Other materials are also possible, such as high-temperature insulation materials used in furnace construction. Examples of these are carbon fiber webs, alumina materials or carbon felt webs.
  • the reaction medium or cooling medium is selected depending on the application. Possible media are, for example, water, a primary material, wax, Teflon, inert cooling gases, etc.
  • the protective structure 10 can also be used in the case of chemical application.
  • a reaction medium 30 is incorporated in the second material region 18.
  • the reaction medium 30 is chosen so that when it comes to the surface 20, it can react with a chemical substance, which acts on the protective structure 10, and can neutralize this chemical substance.
  • the activator medium 36 is chemically activated. It decomposes under the action of the chemical substance, so that the channels 26 are released.
  • the reaction medium 30 can then flow to the surface 20 and come into contact with the outside of the protective structure 10 impinging chemical substance. By the reaction become unwanted eliminates chemical conditions of this admission medium.
  • the impinging chemical substance is an aggressive acid-containing substance which is chemically neutralized by the reaction medium 30.
  • reaction medium connects with the Beauftschungsstoff and this connection "localized" local damage to the surface 12, for example, by taking place on the surface 20, a clumping and a kind of sealing.
  • the reaction medium 30 is then selected according to the admission medium to achieve neutralization.
  • reaction medium 30 can be provided to the second material region 18 via the reservoir device 34. If appropriate, this reaction medium 30 is fed on mechanically.
  • this Nach constituting is indicated by the arrow with the reference numeral 42.
  • the arrow with the reference symbol 44 indicates the flow of reaction medium and / or cooling medium 30 from the second material region 18 through the first material region 16 to the surface 20.
  • the channels 26 are infiltrated.
  • a layer 40 is basically not required to obtain the closure of the channels 26. This results in decomposition of the activator medium 36 no change in geometry of the combination of element 12 and protective structure 10; the contour is retained. By infiltrating the channels 26 results in a greater pressure stability, if the reaction medium and / or cooling medium 30 is pressurized.
  • no activator medium 36 must be provided for closing the channels 26 if the reaction medium and / or cooling medium 30 stored in the second material region 18 are not of themselves and in particular flows without thermal loading above a certain temperature threshold in the first material region 16.
  • reaction medium and / or cooling medium 30 are embedded in the second material region 18 in solid form (for example in powder form) or in gel or liquid form and an outflow from the pores 28 and an inflow into the first material region 16 causes a "thermal activation" requires, for example, to melt the reaction medium and / or cooling medium 30 or reduce the viscosity or the like, then can be dispensed with an infiltration of the channels 26 with activatable activator medium 36.
  • a second exemplary embodiment of a protective structure according to the invention which is shown schematically in FIG. 2 and designated there by 46, is fundamentally the same as the protective structure 10.
  • a first material region 16 ' is provided which lies above a second material region 18'.
  • the first material region 16 ' points into the outer space 22.
  • the first material region 16' is basically the same design as the first material region 16 and the second material region 18 'is basically the same as the second material region 18 in the protective structure 10 and have the same Tasks.
  • the second material region 18 ' is not arranged directly on a holding structure 14', but a third material region 48 is arranged between the holding structure 14 'and the second material region 18'.
  • This third material region is particularly porous and is an additional reservoir region. It has channels which lead to the second material region 18 '.
  • the third material region 48 may be in fluid communication with a reservoir device 50.
  • Reaction medium and / or cooling medium 30 can additionally be incorporated in the third material region 48, which can then be provided to the second material region 18 'via an inner boundary surface 52.
  • a surface connection between see the second material region 18 'and the third material region 48 is provided.
  • reaction medium and / or cooling medium can be provided to the first material region 16 '.
  • the proportion of incorporated cooling medium in the protective structure 46 is increased in comparison to the protective structure 10 or the supply of reaction medium and / or cooling medium to the second material region 18 'can be increased since the entire third material region 48 is provided as a distributor.
  • the reaction medium and / or the cooling medium can be mechanically relieved, for example.
  • the third material region 48 itself forms a reservoir device for the second material region 18 '.
  • the protective structure 46 functions like the protective structure 10.
  • a third exemplary embodiment of a protective structure according to the invention which is shown in FIGS. 3 to 5 and designated there by 54, comprises a first material region 56 which points into the outer space 22.
  • a second material area 58 is provided.
  • the first material region 56 corresponds to the first material region 16 of the protective structure 10.
  • channels corresponding to the channels 26 for fluid guidance are arranged. Through these channels, reaction medium and / or cooling medium can be brought to a surface 60.
  • the channels can be sealed with activator medium corresponding to the activator medium 36.
  • the second material region 58 is a reservoir region corresponding to the second material region 18 of the protective structure 10. In the corresponding pores 28, reaction medium and / or cooling medium 30 are embedded.
  • the second material area 58 is seated on a holding structure 62 corresponding to the holding structure 14. It is possible for a third material area corresponding to the third material area 48 to be provided between the holding structure 62 and the second material area 58.
  • a thermal insulating layer 64 is arranged facing the second material region 58. This separates the first material region 56 in partial regions from the second material region 58.
  • the thermal insulating layer 64 is made of a corresponding insulating material such as a ceramic material or an oxide material or the like.
  • the thermal insulating layer 64 is multi-connected. It has "holes" 66, these holes 66 being spaced from one another. Webs 68, which are produced from the material of the first material region 56 and penetrate through the holes 66 in the thermal insulating layer 64 and protrude into the second material region 58, are respectively arranged at these holes 66.
  • These webs 68 represent thermal bridges, via which heat from the first material region 56 into the second material region 58 can be introduced. As a result, thermal coupling is achieved between the first material region 56 and the second material region 58, by means of which the reaction medium and / or cooling medium 30 can be heated in the second material region 58.
  • the webs 68 can be spaced apart from a boundary layer 70 of the second material region 58 or reach this boundary layer 70 (FIGS. 4 and 5) and, for example, put on the support structure 62 or the third material region in order to achieve greater stability and to increase the heat transfer area into the second material area 58.
  • the webs 68 may, for example, be designed in the form of a wedge-shaped trunk or cylindrical or truncated pyramid (FIG. 4) or cuboid (FIG. 5). It is also possible for the thermal insulation layer 64 to have webs 72 with which it is supported on the support structure 62 or the third material region (FIG. 3).
  • the webs 68 are elements of the first material region 56, which are surrounded by the material of the second material region 58 for heat introduction.
  • the webs 68 have channels to allow the transport of reaction medium and / or cooling medium 30 to the surface 60.
  • the thermal insulating layer 64 may also include channels to facilitate the transport of reaction medium and / or cooling medium 30 to the first material region 56 and thence to the surface 60.
  • the thermal insulating layer 64 is used to adjust the temperature gradient of the protective structure 54. Basically, it is such that high temperatures are desired only in the first material region 56.
  • the thermal insulating layer 64 causes a significant decrease in temperature; there is a thermal (partial) decoupling of the second material region 58 from the first material region 56.
  • the necessary introduction of heat into the second material region 58 takes place through the webs 68, so that sufficient transport of heat from the first material region 56 into the second material region 58 is ensured and this heat transport is not solely due to radiation.
  • the webs 68 and the webs 72 may also contribute to increasing the mechanical stability of the protective structure 54.
  • the first material region 56 has two types of internal interfaces, namely an inner interface 74 facing the thermal insulating layer 64, and an inner barrier layer 76 formed on the webs 68 and an interface to the second material region 58.
  • the respective channels to the surface 20 may extend from the inner interface 74 to the surface 60 and / or extend from the inner interface 76 to the surface 60.
  • the protective structure 54 functions like the protective structures 10 and 46.
  • the protective structures according to the invention can be used in different fields.
  • a thermal protection system can be realized with a protective structure according to the invention.
  • such a thermal protection system has various applications, such as space applications.
  • the protective structure according to the invention is basically refillable, d. H. Cooling medium and / or reaction medium can be stored again in the second material region, so that even after the protection effect of the protective structure has been achieved, reusability is possible.
  • a corresponding element 12 of the missile can be cooled in a contour-stable manner upon reaching corresponding temperatures, in which case, in particular, transpiration cooling and / or effusion cooling is used. In this case, only a temporary protection effect can be achieved (if nodemediumnachThat takes place in the second material area).
  • the protective structure serves as a disposable, replaceable segment which effects a cooling process during a rocket launch at appropriate temperatures.
  • a protective structure according to the invention can also be used, for example, in furnace construction. In case of a thermal overload of the furnace, a cooling is achieved by a self-activation.
  • the solution according to the invention can also be used, for example, for the protection and in particular the fire protection of structures such as buildings and tunnels. put.
  • walls such as tunnel walls may be composed of segments.
  • a water supply may be present.
  • a reservoir device 34 is provided.
  • a self-activation of the protective structure according to the invention takes place. It is a water cooling of the walls causes lowering of the prevailing temperatures.
  • a reactor such as a chemical reactor or a nuclear reactor can be self-activatingly cooled in the event of thermal overload by a protective structure according to the invention.
  • a neutralization or sealing can be carried out if a corresponding reaction medium 30 is used.
  • the protective structure according to the invention is self-activating. When a temperature threshold is exceeded or when a corresponding admission medium acts, the exit of reaction medium and / or cooling medium 30 to the surface can be activated.
  • the protective structure 10 itself can basically be made passive.
  • the reaction medium and / or cooling medium 30 is stored in the second material region 18 or 18 'or 58 and thereby kept at least temporarily.

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Abstract

Schutzstruktur, umfassend einen ersten Materialbereich mit einer in den Außenraum weisenden Oberfläche und einer inneren Grenzfläche, wobei zwischen der äußeren Oberfläche und der inneren Grenzfläche Kanäle zur Fluidführung verlaufen, und einen zweiten Materialbereich, welche mindestens in Teilbereichen mit der inneren Grenzfläche des ersten Materialbereichs thermisch verbunden ist und welcher porös ausgebildet ist, wobei in Poren ein Reaktionsmedium und/oder Kühlmedium eingelagert ist und Kanäle zu der inneren Grenzfläche des ersten Materialbereichs zur Fluidführung verlaufen.

Description

Schutzstruktur und deren Verwendung
Die Erfindung betrifft eine Schutzstruktur.
Aus der US 7,281,688 Bl ist ein thermisches Schutzsystem für Weltraumflugkörper bekannt, welches eine äußere Lage umfasst, die an eine äußere Halte- struktur gekoppelt ist. Diese äußere Lage umfasst eine Vorderseite und eine Rückseite, welche über einen Verbindungsbereich verbunden sind. Die Rückseite wiederum ist an die äußere Haltestruktur gekoppelt. Die Vorderseite, die Rückseite und der Verbindungsbereich definieren einen inneren Hohlraum, in welchem ein ablatives Material aufgenommen ist. Die äußere Lage ist porös ausgebildet.
Aus der US 7,275,720 B2 ist ein weiteres thermisches Schutzsystem mit einer porösen Lage bekannt, wobei durch die poröse Lage ein Strom an Kühlungs- fluid strömen kann, welcher aktiv in die poröse Lage eingekoppelt wird.
Aus der US 7,055,781 B2 ist eine Vorrichtung zur Oberflächenkühlung bekannt, welche eine poröse Lage umfasst, die mit einer äußeren strukturellen Wand verbunden ist und eine Keramikschaumisolierlage umfasst. In der äußeren strukturellen Wand sind Öffnungen angeordnet, über die ein Strom an Kühlfluid der porösen Lage bereitstellbar ist.
Aus der US 2,908,455 ist ein Fahrzeug bekannt, welches ein Paar an beab- standeten Lagen eines strukturellen Materials aufweist, wobei eine äußere Lage porös ist und einem Luftstrom ausgesetzt ist, ein absorbierendes Füll- material zwischen den Lagen angeordnet ist, Mittel zum Leiten von Wärme durch das Füllmaterial vorgesehen sind, Mittel zum Verteilen eines Kühlmediums in dem Füllmaterial vorhanden sind, und das Kühlmedium hohe Wärmemengen während des Verdampfens aufnehmen kann. Aus der WO 03/006883 Al ist ein kühlbares Segment für eine Turbomaschine bekannt, wobei die Turbomaschine mittels eines heißen Fluids betrieben wird. Das Segment umfasst eine Kühlwand, welche sich in einer axialen Richtung erstreckt und in einer Umfangsrichtung orthogonal zu der axialen Richtung ist eine Heißfluidoberfläche vorgesehen, welche dem heißen Fluid ausgesetzt ist. Zwischen der Kühlwand und der Heißfluidoberfläche liegt eine Kühlstruktur, welche für Kühlfluid durchlässig ist und Kühlflächen zur Kühlung durch Wärmeübertragung über Strahlung bereitstellt.
Aus der EP 1 641 959 Bl ist eine Schichtstruktur bekannt, welche aus einem Substrat und einer zumindest teilweise porösen, teilweise gasdurchlässigen Schicht auf dem Substrat besteht, wobei das Substrat Kühlkanäle aufweist, durch die ein Kühlmedium durch das Substrat in die poröse Schicht gelangen kann. Die poröse Schicht weist Poren auf, die von Wänden begrenzt werden, wobei auf den Wänden zumindest teilweise eine Beschichtung vorhanden ist.
Aus der US 3,825,364 ist eine Turbomaschine bekannt, welche äußere und innere Schichten eines porösen Materials aufweist.
Aus der US 2,941,759 ist ein aeronautischer Wärmetauscher bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schutzstruktur bereitzustellen, welche selbstaktivierend ist und hohe Schutzeigenschaften aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Schutzstruktur einen ersten Materialbereich mit einer in den Außenraum weisenden Oberfläche und einer inneren Grenzfläche umfasst, wobei zwischen der äußeren Oberfläche und der inneren Grenzfläche Kanäle zur Fluidführung verlaufen, und einen zweiten Materialbereich umfasst, welcher mindestens in Teilbereichen mit der inneren Grenzfläche des ersten Materialbereichs thermisch verbunden ist und welcher porös ausgebildet ist, wobei in Poren ein Reak- tionsmedium und/oder Kühlmedium eingelagert ist und Kanäle zu der inneren Grenzfläche des ersten Materialbereichs zur Fluidführung verlaufen.
Durch die erfindungsgemäße Lösung wird eine aktive Schutzstruktur bereit- gestellt, welche im "Notfall" ein Reaktionsmedium und/oder Kühlmedium bereitstellt, wobei diese Bereitstellung durch eine insbesondere thermische und/oder chemische Selbstaktivierung (ohne externe Ansteuerung) möglich ist. Die Schutzstruktur selber ist dabei passiv ausgebildet; das Reaktionsmedium und/oder Kühlmedium ist in die Schutzstruktur selber eingelagert.
Die Schutzstruktur erhält im Einsatzfall ihre Kontur, d. h. sie ist geometriestabil. Dadurch werden beispielsweise die aerodynamischen Eigenschaften eines Flugkörpers (wenn beispielsweise die Schutzstruktur als Thermalschutz- system beim Eintritt in die Atmosphäre ausgebildet ist) nicht negativ durch übermäßigen Materialabtrag beeinflusst.
Durch die thermische Verbindung zwischen dem ersten Materialbereich und dem zweiten Materialbereich ist für eine Wärmeleitung gesorgt. Es lässt sich dadurch ausreichend Wärme in den zweiten Materialbereich transportieren, so dass der Wärmetransport nicht mehr rein strahlungsbedingt ist. Dadurch kann beispielsweise ein Kühlmedium schneller einen oder mehrere Phasenwechsel vollziehen. Dadurch lässt sich beispielsweise bei einer Transpirationskühlung und/oder Effusionskühlung eine erhöhte Effizienz erreichen.
Um beispielsweise für einen Phasenwechsel eines Kühlmediums für eine
Transpirationskühlung und/oder Effusionskühlung zu sorgen, sind bei der erfindungsgemäßen Lösung niedrigere Temperaturen an dem ersten Materialbereich erforderlich.
In dem zweiten Materialbereich können grundsätzlich alle möglichen Formen von Reaktionsmedium und/oder Kühlmedium eingelagert werden. Es können feste, gasförmige, flüssige Reaktionsmedien und/oder Kühlmedien oder auch Reaktionsmedien und/oder Kühlmedien in Gelform eingelagert werden. Grundsätzlich ist es auch möglich, ein Reaktionsmedium einzulagern, welches beim Austritt an die Oberfläche einen chemischen Beaufschlagungsstoff neutralisieren kann. Gegebenenfalls können dabei auch lokale Schadstellen an der Oberfläche verklumpt werden und abgedichtet werden.
Grundsätzlich kann auch Kühlmedium und/oder Reaktionsmedium in dem ersten Materialbereich eingelagert sein.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der erste Materialbereich aus einem Material hergestellt ist, das bei entsprechender thermischer Beaufschlagung oder chemischer Beaufschlagung eine hohe Standfestigkeit aufweist. Beispielsweise ist für Anwendungen mit thermischer Beaufschlagung der erste Materialbereich aus einem Material hergestellt, welches eine hohe Wärmeleitfähigkeit und vor- zugsweise auch einen hohen Emissionsgrad hat. Dadurch ist gewährleistet, dass dieses Material hohen Temperaturen standhält. Dadurch wiederum lässt sich der Anteil an später aktiviertem Kühlmedium gering halten.
Entsprechend ist es günstig, wenn bei chemischer Beaufschlagung der erste Materialbereich eine hohe Resistenz gegenüber potentiellen Reaktionsmedien bei chemischer Beaufschlagung hat.
Grundsätzlich ist die erfindungsgemäße Schutzstruktur auch wiederverwendbar, indem der erste Materialbereich und/oder der zweite Materialbereich "wie- der befüllt" wird, d. h. Kühlmedium und/oder Reaktionsmedium nach einer "Entleerung" wieder eingelagert wird.
Die erfindungsgemäße Lösung lässt sich beispielsweise bei der Ausbildung als Thermalschutzsystem auch in Verbindung mit Leichtbaukonzepten realisieren, da aufgrund einer erhöhten Kühleffizienz dünnere Strukturen (für die Schutzstruktur und zu schützende Elemente) ermöglicht werden. Günstig ist es, wenn der erste Materialbereich oder der zweite Materialbereich offenporös ausgebildet sind. Dadurch werden Kanäle bereitgestellt, um Reaktionsmedium und/oder Kühlmedium von dem zweiten Materialbereich zu der inneren Grenzfläche des ersten Materialbereichs zu transportieren und Reak- tionsmedium und/oder Kühlmedium von dieser inneren Grenzfläche an die Oberfläche zu transportieren.
Es ist dabei grundsätzlich vorteilhaft, wenn der zweite Materialbereich eine höhere Porosität als der erste Materialbereich aufweist. Die Poren im zweiten Materialbereich dienen zur Einlagerung von Kühlmedium und/oder Reaktionsmedium. Durch eine größere Porosität lässt sich eine große Menge an Reaktionsmedium und/oder Kühlmedium einlagern.
Es ist grundsätzlich auch möglich, dass der erste Materialbereich und/oder der zweite Materialbereich durch Risse und/oder Bohrungen gebildete Kanäle aufweisen, um den Fluidtransport zu ermöglichen.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist an der in den Außenraum weisenden Oberfläche des ersten Materialbereichs eine Schicht aus Aktivatormedium angeordnet und/oder die Kanäle des ersten Materialbereichs sind mit Aktivatormedium infiltriert, wobei das Aktivatormedium die Kanäle zu dem Außenraum verschließt und wobei das Aktivatormedium thermisch und/oder chemisch aktivierbar ist, um die Kanäle zu dem Außenraum hin zu öffnen. Das Aktivatormedium verschließt die Kanäle, um einen Austritt des Reaktions- mediums und/oder Kühlmediums im Nichteinsatzfall zu verhindern. Wenn das Reaktionsmedium und/oder Kühlmedium beispielsweise unter Druck steht, kann es durch den ersten Materialbereich hinaus austreten. Durch das Aktivatormedium wird dieses verhindert. Durch die Infiltrierung der Kanäle kann auch eine höhere Druckstabilität erreicht werden, wenn das Reaktionsmedium und/oder Kühlmedium mit Überdruck beaufschlagt ist. Das Aktivatormedium bewirkt eine Versiegelung im ersten Materialbereich. Es ist dabei grundsätzlich möglich, dass die Kanäle nur teilweise längs einer Kanalrichtung mit Aktiva- tormedium infiltriert sind, oder dass sie vollständig mit Aktivatormedium infiltriert sind.
Wenn keine zusätzliche Außenschicht an Aktivatormedium vorgesehen ist, dann wird bei Aktivierung und Zersetzung des Aktivatormediums auch die Oberfläche bzw. Kontur der Schutzstruktur höchstens minimal beeinflusst. Dies kann beispielsweise bei Flugkörperanwendungen vorteilhaft sein.
Es ist aber auch möglich, dass zusätzlich oder alternativ zu der Infiltrierung der Kanäle eine Schicht an Aktivatormedium an der Oberfläche angeordnet ist. Dies kann beispielsweise vorteilhaft sein, wenn der erste Materialbereich offenporös ausgestaltet ist, um eine glatte Oberfläche zu erhalten. Eine solche glatte Oberfläche kann aus ästhetischen Gründen gewünscht sein oder kann für bestimmte Anwendungen vorteilhaft sein.
Die Aktivierung des Aktivatormediums kann beispielsweise thermisch erfolgen. Das Aktivatormedium kann sich dabei zersetzen oder aufschmelzen und dadurch die Kanäle freigeben. Auch eine chemische Aktivierung ist grundsätzlich möglich. Bei der chemischen Aktivierung reagiert das Aktivatormedium mit einem von außen herangeführten Reaktanten und gibt die Kanäle frei, so dass wiederum Reaktionsmedium und/oder Kühlmedium aus dem zweiten Materialbereich freigesetzt werden kann.
Es ist grundsätzlich möglich, dass der zweite Materialbereich mit einer Reser- voireinrichtung für Reaktionsmedium und/oder Kühlmedium fluidwirksam verbunden ist. Dadurch lässt sich Reaktionsmedium und/oder Kühlmedium nachfördern. Beispielsweise ist es dadurch auch möglich, Reaktionsmedium und/oder Kühlmedium mit Druck zu beaufschlagen, um einen Überdruck bereitzustellen, welcher Reaktionsmedium und/oder Kühlmedium von dem zwei- ten Materialbereich in den ersten Materialbereich treibt.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Reservoireinrichtung durch einen dritten Materialbereich gebildet oder umfasst solch einen dritten Materialbereich. Der dritte Materialbereich ist insbesondere vollflächig mit dem zweiten Materialbereich verbunden, um über einen hohen Flächenbereich dem zweiten Materialbereich Reaktionsmedium und/oder Kühlmedium nachfördern zu können.
Günstigerweise ist eine Haltestruktur vorgesehen, an welcher die Kombination aus erstem Materialbereich und zweitem Materialbereich fixiert ist. Die Haltestruktur ist selber an einer Anwendung fixiert oder Teil der Anwendung.
Das Reaktionsmedium und/oder Kühlmedium, welches in dem zweiten Mate- rialbereich eingelagert ist, kann gasförmig, fest oder flüssig eingelagert sein oder es kann als Gel eingelagert sein. Bei der erfindungsgemäßen Lösung sind grundsätzlich verschiedene Aggregatszustände möglich.
Insbesondere ist Reaktionsmedium und/oder Kühlmedium durch Kapillar- Wirkung und/oder durch Überdruck des Reaktionsmediums und/oder Kühlmediums von dem zweiten Materialbereich an die Oberfläche des ersten Materialbereichs beförderbar. Es lässt sich dadurch insbesondere eine automatische Beförderung an die Oberfläche bei Aktivierung der Schutzstruktur erreichen.
Es ist grundsätzlich möglich, dass der erste Materialbereich und/oder der zweite Materialbereich mit homogenen Materialeigenschaften ausgebildet sind. Es ist aber auch möglich, dass diese gradiert ausgebildet sind, d. h. dass die Materialeigenschaften in einer oder mehreren Richtungen variieren und insbesondere eine variable Porosität eingestellt ist.
Es kann dabei vorgesehen sein, dass der erste Materialbereich und der zweite Materialbereich einstückig aneinander ausgebildet sind. In dem zweiten Materialbereich ist das Reaktionsmedium und/oder Kühlmedium eingelagert. Die entsprechende Struktur ist bis zu einer bestimmten Tiefe unterhalb der äuße- ren Oberfläche mit Reaktionsmedium und/oder Kühlmedium befüllt.
Alternativ ist es möglich, dass der erste Materialbereich und der zweite Materialbereich durch getrennte Materiallagen hergestellt sind. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist zwischen dem ersten Materialbereich und dem zweiten Material eine thermische Isolierschicht angeordnet. Die thermische Isolierschicht sorgt dafür, dass der zweite Materialbereich nicht so stark erhitzt wird und hohe Temperaturen im Wesentlichen auf den ersten Materialbereich begrenzt sind. Es wird eine Temperaturabsenkung zu dem zweiten Materialbereich erreicht.
Insbesondere ist die thermische Isolierschicht mehrfach zusammenhängend, d. h. sie weist beabstandete "Löcher" auf. Durch diese Löcher hindurch wiederum ist die Einleitung eines Wärmestroms von dem ersten Materialbereich in den zweiten Materialbereich möglich.
Vorteilhafterweise sind der erste Materialbereich und der zweite Material- bereich im Bereich von Löchern des thermischen Isolierelements thermisch verbunden. Dadurch kann Wärme von dem ersten Materialbereich und damit von dem Außenraum im zweiten Materialbereich eingeleitet werden, um beispielsweise schnelle Phasenwechsel zu erreichen und damit bei der Transpirationskühlung und/oder Effusionskühlung eine effiziente Kühlung zu erzielen.
Insbesondere ragen an Löchern der Isolierschicht von dem ersten Materialbereich Stege in den zweiten Materialbereich. Die Stege füllen dabei insbesondere die Löcher aus und sind vom Material des zweiten Materialbereichs umgeben und bilden eine innere Grenzfläche an den zweiten Materialbereich. Da- durch lässt sich effektiv Wärme in den zweiten Materialbereich einkoppeln.
Es kann dabei vorgesehen sein, dass Stege bis zu einer Haltestruktur für den zweiten Materialbereich ragen oder bis zu einem dritten Materialbereich, auf welchem der zweite Materialbereich angeordnet ist, ragen. Dadurch ergibt sich eine effektive Abstützung, so dass die Schutzstruktur eine hohe mechanische Stabilität aufweist. Es kann vorgesehen sein, dass Stege quaderförmig und/oder pyramidenförmig und/oder pyramidenstumpfförmig und/oder kegelförmig und/oder kegel- stumpfförmig und/oder keilförmig und/oder keilstumpfförmig und/oder zylindrisch ausgebildet sind. Es lässt sich dadurch eine große Oberfläche bereit- stellen, welche eine innere Grenzfläche zu dem zweiten Materialbereich ist. Dadurch wiederum ergibt sich ein effektiver Wärmeeintrag in den zweiten Materialbereich.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die Stege aus dem Material des ersten Materialbereichs hergestellt sind. Insbesondere sind sie einstückig (stoffschlüssig) mit dem ersten Materialbereich verbunden. Dadurch ergibt sich eine effektive Wärmeeinleitung.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist der erste Materialbereich (und/oder der zweite Materialbereich) aus einem Fasermaterial oder faserkeramischen Material oder keramischen Material hergestellt. Ein solches Material lässt sich offenporös ausbilden. Das Material für den ersten Materialbereich ist beispielsweise eine kohlenstoffbasierte Faserkeramik mit oder ohne Kohlenstoff- Fasern oder eine oxidkeramische Faserkeramik oder eine Sinterkeramik. Auch andere Materialien sind möglich, wie beispielsweise metallische, offenporige (Hohl-)Kugelpackungen oder offenporige Sintermetalle.
Beispielsweise ist der erste Materialbereich aus Graphit oder C/C oder SiC oder C-SiC oder C/C-SiC hergestellt.
Das Kühlmedium ist vorzugsweise so gewählt, dass eine Transpirationskühlung und/oder Effusionskühlung erfolgt. Bei der Transpirationskühlung und/oder Effusionskühlung erfolgt durch Ausströmen des Kühlmediums eine konvektive Kühlung. Es bildet sich eine thermische Blockgrenzungsschicht auf der Außen- seite der Schutzstruktur aus und es wird eine Reduzierung des auftretenden Wärmestroms erreicht. Durch zusätzliche Aufnahme der Schmelz- und Verdampfungsenthalpie wird die Kühlwirkung verbessert. Die erfindungsgemäße Schutzstruktur lässt sich beispielsweise als Thermal- schutzsystem für einen Flugkörper oder für eine Brennkammer oder für einen Ofen oder für den Brandschutz eines Bauwerks oder für einen Reaktor verwenden.
Es ist auch möglich, die erfindungsgemäße Schutzstruktur bei der Neutralisierung von chemischen Stoffen zu verwenden, wobei als Reaktionsmedium ein Reaktant für einen die Schutzstruktur beaufschlagenden chemischen Stoff gewählt wird. Bei entsprechender Beaufschlagung kann insbesondere nach chemischer Aktivierung eines Aktivatormediums das Reaktionsmedium austreten und mit dem beaufschlagenden chemischen Stoff reagieren und diesen neutralisieren. Bei entsprechender Wahl des Reaktionsmediums kann erreicht werden, dass das auftretende Reaktionsprodukt Schadstellen an der Oberfläche verklumpt und beispielsweise auch eine Abdichtung durchgeführt wird.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen :
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Teilbereichs einer erfindungsgemäßen Schutzstruktur;
Figur 2 eine schematische Darstellung eines Teilbereichs eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Schutz- Struktur;
Figur 3 eine perspektivische Teildarstellung eines dritten
Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Schutzstruktur;
Figur 4 eine Schnittansicht der Schutzstruktur gemäß Figur 3; und Figur 5 eine ähnliche Ansicht wie Figur 4 mit einer alternativen Stegausbildung.
Ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schutzstruktur, wel- ches in Figur 1 in einer Teilansicht schematisch gezeigt und dort mit 10 bezeichnet ist, ist auf einem zu schützenden Element 12 angeordnet. Entsprechende Anwendungsbeispiele werden später erläutert. Die Schutzstruktur 10 umfasst dazu eine Haltestruktur 14, welche an dem zu schützenden Element 12 fixiert ist. Beispielsweise ist die Haltestruktur 14 mit dem zu schützenden Element 12 verklebt oder auf andere Art und Weise verbunden. Grundsätzlich ist es dabei möglich, dass das zu schützende Element 12 und die Haltestruktur 14 integral ausgebildet sind.
Die Haltestruktur 14 trägt einen ersten Materialbereich 16 und einen zweiten Materialbereich 18. Der erste Materialbereich 16 ist ein äußerer Materialbereich, der eine Oberfläche 20 aufweist, die in den Außenraum 22 weist.
Der erste Materialbereich 16 hat eine innere Grenzfläche 24 zu dem zweiten Materialbereich 18. Über die innere Grenzfläche 24 sind der zweite Material- bereich 18 und der erste Materialbereich 16 miteinander verbunden, wobei ein thermischer Kontakt hergestellt ist. Bei der Schutzstruktur 10 ist dabei ein vollflächiger Kontakt zwischen dem ersten Materialbereich 16 und dem zweiten Materialbereich 18 an der inneren Grenzfläche 24 vorgesehen, so dass auch ein vollflächiger thermischer Kontakt hergestellt ist. Weiter untenstehend wer- den noch Ausführungsbeispiele erläutert, bei denen der thermische Kontakt nur in Teilbereichen hergestellt ist.
In dem ersten Materialbereich 16 sind Kanäle 26 angeordnet, welche zur Fluidführung dienen und von der inneren Grenzfläche 24 zu der Oberfläche 20 verlaufen. In Figur 1 sind die Kanäle 26 schematisch in der Ausschnittsvergrößerung A angedeutet. Die Kanäle dienen dazu, Fluid durch den ersten Materialbereich 16 an die Oberfläche 20 zu führen. Das entsprechende Fluid kann dabei als Kühlmedium eingesetzt werden, um insbesondere eine Transpirationskühlung und/oder Effusionskühlung zu realisieren. Es ist grundsätzlich auch möglich, dass das entsprechende Fluid ein Reaktionsmedium ist, welches beispielsweise als Reaktant dient, um ein Medium zu neutralisieren, mit welchem die Schutzstruktur 10 beaufschlagt wird. Dies wird weiter untenstehend noch näher erläutert.
Die Kanäle 26 können auf unterschiedliche Art und Weise realisiert sein. Sie können beispielsweise "makroskopisch" hergestellt sein, wie beispielsweise durch Bohrungen. Sie können "mikroskopisch" hergestellt sein durch Risse im ersten Materialbereich 16. Der erste Materialbereich 16 kann offenporös ausgestaltet sein und es kann dadurch eine Kanalstruktur in dem ersten Material- bereich 16 gebildet sein. Auch Kombinationen unterschiedlicher Kanalausbildungen sind möglich.
Der zweite Materialbereich 18 ist ein Reservoirbereich. Er ist porös ausgebildet mit Poren 28 (Ausschnittsvergrößerung B in Figur 1), in welchen Reaktions- medium und/oder Kühlmedium 30 eingelagert ist. In dem zweiten Materialbereich 18 sind Kanäle 32 gebildet, über welche Reaktionsmedium und/oder Kühlmedium 30 zu der inneren Grenzfläche 24 und von dort an die Oberfläche 20 gelangen kann. Die Kanäle 32 sind beispielsweise durch eine offenporöse Struktur gebildet, bei welcher die Poren 28 miteinander verbunden sind. Grundsätzlich können die Kanäle 32 beispielsweise auch durch Risse oder dergleichen hergestellt sein.
Der zweite Materialbereich 18 weist eine kleinere Dichte als der erste Materialbereich 16 auf (wobei die Befüllung der Poren 28 durch Reaktionsmedium und/oder Kühlmedium 30 im zweiten Materialbereich 18 bei der Dichteermittlung nicht berücksichtigt ist, d. h. die Poren 28 werden als "leere" Poren berücksichtigt). Wenn der erste Materialbereich 16 porös ausgebildet ist, dann weist der zweite Materialbereich 18 eine höhere Porosität auf als der erste Materialbereich 16, d. h. der relative Porenanteil im zweiten Materialbereich 18 ist größer als im ersten Materialbereich 16.
Es ist möglich, dass der zweite Materialbereich 18 mit einer Reservoireinrich- tung 34 in Verbindung steht, welche Reaktionsmedium und/oder Kühlmedium nachliefert, wobei dieses Reaktionsmedium und/oder Kühlmedium beispielsweise unter Druck steht.
Je nach Anwendungsfall kann das Reaktionsmedium und/oder Kühlmedium 30 in dem zweiten Materialbereich 18 in fester Form, flüssiger Form, gasförmiger Form oder als Gel eingelagert sein. Wenn das Reaktionsmedium und/oder Kühlmedium 30 in nicht-fluider Form (d. h. in nicht fließfähiger Form) eingelagert ist und beispielsweise als Feststoff (beispielsweise in Pulverform oder in Vollmaterialform) eingelagert ist, dann ist insbesondere durch thermische Be- aufschlagung von dem ersten Materialbereich 16 her die Transformation in ein fließfähiges Material möglich.
Bei einer Variante einer Ausführungsform sind die Kanäle 26 im ersten Materialbereich 16 zu der Oberfläche 20 hin durch ein Aktivatormedium 36 ver- schlössen. Dies verhindert, dass Reaktionsmedium und/oder Kühlmedium 30 durch die Kanäle 26 hinaus austreten kann, wenn kein Schutz-Einsatzfall der Schutzstruktur 10 vorliegt. Das Aktivatormedium 36 infiltriert die Kanäle 32, wie in Figur 1, Ausschnittsansicht A mit dem Bezugszeichen 38 bezeichnet.
Grundsätzlich kann eine Schicht 40 an Aktivatormedium 36 auf der Oberfläche 20 des ersten Materialbereichs 16 angeordnet sein. Diese Schicht 40 muss dabei nicht unbedingt zusammenhängend sein. Beispielsweise dient die Schicht 40 dazu, eine gleichmäßige und insbesondere glatte Oberfläche auf dem ersten Materialbereich 16 herzustellen, wenn dieser porös ausgebildet ist. Dies kann beispielsweise unabhängig von technischen Anforderungen auch durch ästhetische Anforderungen bei bestimmten Anwendungen verlangt sein. Das Aktivatormedium 36 lässt sich thermisch und/oder chemisch aktivieren. Bei der thermischen Aktivierung zersetzt sich das Aktivatormedium 36 oberhalb einer bestimmten Temperaturschwelle. Dadurch werden die Kanäle 26 zu der Oberfläche 20 hin geöffnet und Reaktionsmedium und/oder Kühlmedium 30 kann austreten.
Bei der chemischen Aktivierung reagiert das Aktivatormedium 36 mit einem von außen (über den Außenraum 22) aufgebrachten Reaktanten und zersetzt sich, um so wie oben beschrieben die Kanäle 26 freizugeben, so dass wie- derum Reaktionsmedium und/oder Kühlmedium 30 austreten kann.
Der Transport von Reaktionsmedium und/oder Kühlmedium 30 durch die Kanäle 26 im ersten Materialbereich 16 hindurch einschließlich des Transports zu dem ersten Materialbereich 16 hin ist beispielsweise durch Kapillarkräfte ge- trieben und/oder durch Druckbeaufschlagung des Reaktionsmediums und/oder Kühlmediums im zweiten Materialbereich 18 getrieben.
Die Schutzstruktur 10 funktioniert wie folgt:
Die Schutzstruktur 10 dient beispielsweise als Thermalschutzstruktur für das Element 12. In diesem Fall ist das eingelagerte Medium ein Kühlmedium und das Aktivatormedium 36 wird thermisch aktiviert.
Die Schutzstruktur 10 ist auf dem Element 12 angeordnet. Wenn dieses Sys- tem einer "zu hohen" Temperatur ausgesetzt wird, welche oberhalb einer Temperaturschwelle liegt, dann wird das Aktivatormedium 36 aktiviert. Die Versiegelung des ersten Materialbereichs 16 wird durch Zersetzung des Aktivatormediums 36 aufgehoben und die Kanäle 26 werden freigegeben. Es kann dann Kühlmedium 30, welches in dem zweiten Materialbereich 18 eingelagert ist, aus dem zweiten Materialbereich 18 durch den ersten Materialbereich 16 hindurch an die Oberfläche 20 gelangen. Dem zweiten Materialbereich 18 kann gegebenenfalls durch die Reservoirmedium 34 Kühlmedium nachgeliefert werden. Nach Aktivierung des Aktivatormediums 36 ist der erste Materialbereich 16 durch Kühlmedium durchströmbar. Die thermische Aktivierung des Aktivatormediums 36, welches insbesondere ein Schmelzen oder Sublimieren ist, wer- den Fluidwege durch den ersten Materialbereich 16 hindurch an die Oberfläche 20 freigegeben. Der zweite Materialbereich 18 ist ebenfalls durchströmbar, um dem ersten Materialbereich 16 Kühlmedium bereitstellen zu können.
Die Durchströmung des zweiten Materialbereichs 18 und des ersten Material- bereichs 16 ist durch Kapillarkräfte und/oder Überdruck des Kühlmediums angetrieben.
Es kann eine Transpirationskühlung und/oder Effusionskühlung erreicht sein, welche beispielsweise durch Phasenwechsel des Kühlmediums erreicht ist. Es erfolgt eine konvektive Kühlung der Schutzstruktur 10, wobei sich eine thermische Blockgrenzungsschicht an der Oberfläche 20 des ersten Materialbereichs 16 aus dem Kühlmedium ausbilden kann. Dadurch wird der auftretende Wärmestrom, welcher grundsätzlich zu einer Aufheizung des Elements 12 führt, reduziert.
Grundsätzlich kann die Kühlwirkung durch Verwendung eines flüssigen oder festen Kühlmediums durch zusätzliche Aufnahme der Schmelz- und Verdampfungsenthalpie verbessert werden.
Der erste Materialbereich 16 ist an den zweiten Materialbereich 18 thermisch gekoppelt. Die Poren 28 sind von Vollmaterial des zweiten Materialbereichs 18 umgeben. Dadurch ergibt sich eine optimierte Wärmeeinkopplung; Wärme lässt sich effektiv von der Oberfläche 20 her in den zweiten Materialbereich 18 einkoppeln. Dadurch wird dem Kühlmedium im Vergleich zu einer rein strah- lungsbedingten Erwärmung mehr Wärme zugeführt. Dadurch kann das Kühlmedium schneller ein oder zwei Phasenwechsel vollziehen; dies wiederum erhöht die Effizienz der Kühlung. Im Vergleich zu einem rein strahlungsbedingten Wärmeaustausch ist der bei der erfindungsgemäßen Lösung für einen Phasenwechsel des Kühlmediums erforderliche Wärmeeintrag durch niedrigere Temperaturen des ersten Materialbereichs 16 erreichbar.
Es ist dabei grundsätzlich möglich, dass das Kühlmedium 30 in dem zweiten Materialbereich 18 nicht nur in fester Form eingelagert sein kann (beispielsweise pulverförmig). Grundsätzlich ist es auch möglich, dass es in flüssiger Form oder als Gel oder auch als Gas eingelagert ist.
Es ist dabei grundsätzlich möglich, dass der erste Materialbereich 16 und der zweite Materialbereich 18 einstückig miteinander verbunden sind und insbesondere aus dem gleichen Material bestehen, welches unterschiedlich ausgebildet ist. Beispielsweise weist dann dieses Material in dem ersten Material- bereich 16 eine kleinere Porosität auf als in dem zweiten Materialbereich 18. In diesem Sinne sind dann der erste Materialbereich 16 und der zweite Materialbereich 18 in ihrer Kombination als eine Lage ausgebildet.
Es ist aber auch möglich, dass der erste Materialbereich 16 und der zweite Materialbereich 18 getrennte Lagen sind.
Grundsätzlich ist es so, dass in dem ersten Materialbereich 16 kein Kühlmedium eingelagert ist.
Die Materialwahl des Aktivatormediums 36, des Materials für den ersten Materialbereich 16 und des Materials für den zweiten Materialbereich 18 richtet sich nach der Anwendung.
Der erste Materialbereich 16 ist beispielsweise aus einem porösen faser- keramischen Material wie C/C oder aus Graphit hergestellt. Die Fasern können dabei je nach Anwendungsfall parallel oder senkrecht oder auch in anderen Orientierungen zu der Oberfläche 20 stehen. Der erste Materialbereich 16 kann auch aus anderen kohlenstoffbasierten Faserkeramiken wie SiC, C-SiC, C/C-SiC usw. hergestellt sein. Er kann aus sinterkeramischen Materialien oder oxidkeramischen Faserkeramikmaterialien hergestellt sein. Er kann beispielsweise auch aus metallischen, offenporigen (Hohl-)Kugelpackungen hergestellt sein oder aus offenporigen Sintermetallen.
Je nach Anwendungsfall ist das Aktivatormedium beispielsweise ein Wachs, ein Epoxidharz oder ein Lack. Auch andere Arten von Aktivatormedium sind möglich.
Der zweite Materialbereich 18 ist aus einem hochporösen Material wie beispielsweise C/C hergestellt. (In einem Material wie C/C kann die Porosität grundsätzlich gut eingestellt werden.) Auch andere Materialien sind möglich, wie beispielsweise im Ofenbau eingesetzte Hochtemperaturisolationsmateria- lien. Beispiele dafür sind Kohlenstofffaservliese, Aluminiumoxidmaterialien oder Kohlefilzvliese.
Das Reaktionsmedium bzw. Kühlmedium wird je nach Anwendungsfall gewählt. Mögliche Medien sind beispielsweise Wasser, ein Primärwerkstoff, Wachs, Teflon, inerte Kühlgase usw.
Die Schutzstruktur 10 ist auch bei chemischer Beaufschlagung einsetzbar. In diesem Fall ist in dem zweiten Materialbereich 18 ein Reaktionsmedium 30 eingelagert. Das Reaktionsmedium 30 ist so gewählt, dass es, wenn es an die Oberfläche 20 tritt, mit einem chemischen Stoff, welcher auf die Schutz- struktur 10 einwirkt, reagieren kann und diesen chemischen Stoff neutralisieren kann.
In diesem Fall ist, wenn ein Aktivatormedium 36 eingesetzt ist, mit dem die Kanäle 26 infiltriert sind, das Aktivatormedium 36 chemisch aktivierbar. Es zersetzt sich unter Einwirkung des chemischen Stoffs, so dass die Kanäle 26 freigegeben sind. Das Reaktionsmedium 30 kann dann an die Oberfläche 20 strömen und in Kontakt mit dem von außen die Schutzstruktur 10 beaufschlagenden chemischen Stoff gelangen. Durch die Reaktion werden unerwünschte chemische Zustände dieses Beaufschlagungsmediums beseitigt. Beispielsweise ist der beaufschlagende chemische Stoff eine aggressive säurehaltige Substanz, welche durch das Reaktionsmedium 30 chemisch neutralisiert wird.
Es ist dabei möglich, dass das Reaktionsmedium sich mit dem Beaufschlagungsstoff verbindet und diese Verbindung lokale Schadstellen an der Oberfläche 12 "beseitigt", indem beispielsweise an der Oberfläche 20 eine Verklumpung und eine Art von Abdichtung stattfindet.
Das Reaktionsmedium 30 wird dann entsprechend dem Beaufschlagungsmedium gewählt, um eine Neutralisierung zu erreichen.
Auch in diesem Fall kann über die Reservoireinrichtung 34 dem zweiten Materialbereich 18 weiteres Reaktionsmedium 30 bereitgestellt werden. Gege- benenfalls wird dieses Reaktionsmedium 30 mechanisch nachgefördert.
In Figur 1 ist diese Nachförderung durch den Pfeil mit dem Bezugszeichen 42 angedeutet. Der Pfeil mit dem Bezugszeichen 44 deutet die Strömung von Reaktionsmedium und/oder Kühlmedium 30 aus dem zweiten Materialbereich 18 durch den ersten Materialbereich 16 an die Oberfläche 20 an.
Durch das Aktivatormedium 36 sind die Kanäle 26 infiltriert. Eine Schicht 40 ist grundsätzlich nicht erforderlich, um den Verschluss der Kanäle 26 zu erhalten. Dadurch ergibt sich bei Zersetzung des Aktivatormediums 36 keine Geometrieänderung der Kombination aus Element 12 und Schutzstruktur 10; die Kontur bleibt erhalten. Durch Infiltration der Kanäle 26 ergibt sich eine größere Druckstabilität, falls das Reaktionsmedium und/oder Kühlmedium 30 mit Druck beaufschlagt ist.
Grundsätzlich muss kein Aktivatormedium 36 zum Verschluss der Kanäle 26 vorgesehen werden, wenn das in dem zweiten Materialbereich 18 eingelagerte Reaktionsmedium und/oder Kühlmedium 30 nicht von selber und insbesondere ohne thermische Beaufschlagung oberhalb einer bestimmten Temperaturschwelle in den ersten Materialbereich 16 einströmt.
Wenn beispielsweise das Reaktionsmedium und/oder Kühlmedium 30 in den zweiten Materialbereich 18 in fester Form (beispielsweise in Pulverform) oder in gelförmiger oder flüssiger Form eingelagert ist und ein Herausströmen aus den Poren 28 und ein Einströmen in den ersten Materialbereich 16 eine "thermische Aktivierung" erfordert, um beispielsweise das Reaktionsmedium und/oder Kühlmedium 30 aufzuschmelzen bzw. die Viskosität herabzusetzen oder dergleichen, dann kann auf eine Infiltrierung der Kanäle 26 mit aktivierbarem Aktivatormedium 36 verzichtet werden.
Ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schutzstruktur, welches in Figur 2 schematisch gezeigt und dort mit 46 bezeichnet ist, ist grund- sätzlich gleich ausgebildet wie die Schutzstruktur 10. Es ist ein erster Materialbereich 16' vorgesehen, welcher oberhalb eines zweiten Materialbereichs 18' liegt. Der erste Materialbereich 16' weist in den Außenraum 22. Der erste Materialbereich 16' ist grundsätzlich gleich ausgebildet wie der erste Materialbereich 16 und der zweite Materialbereich 18' ist grundsätzlich gleich ausge- bildet wie der zweite Materialbereich 18 bei der Schutzstruktur 10 und haben die gleichen Aufgaben.
Der zweite Materialbereich 18' ist jedoch nicht direkt auf einer Haltestruktur 14' angeordnet, sondern zwischen der Haltestruktur 14' und dem zweiten Ma- terialbereich 18' ist ein dritter Materialbereich 48 angeordnet. Dieser dritte Materialbereich ist insbesondere porös ausgebildet und ist ein zusätzlicher Reservoirbereich. Er weist Kanäle auf, welche zu dem zweiten Materialbereich 18' führen. Der dritte Materialbereich 48 kann in fluidwirksamer Verbindung mit einer Reservoireinrichtung 50 stehen. In dem dritten Materialbereich 48 kann zusätzlich Reaktionsmedium und/oder Kühlmedium 30 eingelagert werden, welches dann über eine innere Grenzfläche 52 dem zweiten Materialbereich 18' bereitstellbar ist. Insbesondere ist eine flächige Verbindung zwi- sehen dem zweiten Materialbereich 18' und dem dritten Materialbereich 48 vorgesehen.
Dadurch kann ein höherer Strom an Reaktionsmedium und/oder Kühlmedium dem ersten Materialbereich 16' bereitgestellt werden. Der Anteil an eingelagertem Kühlmedium in der Schutzstruktur 46 ist im Vergleich zu der Schutzstruktur 10 erhöht bzw. die Zufuhr von Reaktionsmedium und/oder Kühlmedium zu dem zweiten Materialbereich 18' lässt sich erhöhen, da der ganze dritte Materialbereich 48 als Verteiler bereitgestellt ist.
Über die Reservoireinrichtung 50 lässt sich Reaktionsmedium und/oder Kühlmedium beispielsweise mechanisch nachfördern. Der dritte Materialbereich 48 bildet selber eine Reservoireinrichtung für den zweiten Materialbereich 18'.
Ansonsten funktioniert die Schutzstruktur 46 wie die Schutzstruktur 10.
Ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schutzstruktur, welches in den Figuren 3 bis 5 gezeigt und dort mit 54 bezeichnet ist, umfasst einen ersten Materialbereich 56, welcher in den Außenraum 22 weist. Es ist ein zweiter Materialbereich 58 vorgesehen. Der erste Materialbereich 56 entspricht dem ersten Materialbereich 16 der Schutzstruktur 10. In ihm sind Kanäle entsprechend den Kanälen 26 zur Fluidführung angeordnet. Durch diese Kanäle hindurch kann Reaktionsmedium und/oder Kühlmedium an eine Oberfläche 60 gebracht werden. Die Kanäle können dabei mit Aktivatormedium entsprechend dem Aktivatormedium 36 versiegelt sein.
Der zweite Materialbereich 58 ist ein Reservoirbereich entsprechend dem zweiten Materialbereich 18 der Schutzstruktur 10. In entsprechenden Poren 28 ist Reaktionsmedium und/oder Kühlmedium 30 eingelagert. Der zweite Mate- rialbereich 58 sitzt an einer Haltestruktur 62 entsprechend der Haltestruktur 14. Es ist dabei möglich, dass ein dritter Materialbereich entsprechend dem dritten Materialbereich 48 zwischen der Haltestruktur 62 und dem zweiten Materialbereich 58 vorgesehen ist. An dem ersten Materialbereich 56 ist dem zweiten Materialbereich 58 zugewandt eine thermische Isolierschicht 64 angeordnet. Diese trennt den ersten Materialbereich 56 in Teilbereichen von dem zweiten Materialbereich 58. Die thermische Isolierschicht 64 ist aus einem entsprechenden isolierenden Material wie beispielsweise einem Keramikmaterial oder einem Oxidmaterial oder dergleichen hergestellt.
Die thermische Isolierschicht 64 ist mehrfach zusammenhängend. Sie weist "Löcher" 66 auf, wobei diese Löcher 66 beabstandet zueinander sind. An diesen Löchern 66 sind jeweils Stege 68 angeordnet, welche aus dem Material des ersten Materialbereichs 56 hergestellt sind und durch die Löcher 66 in der thermischen Isolierschicht 64 durchtauchen und in den zweiten Materialbereich 58 hineinragen.
Diese Stege 68 stellen Wärmebrücken dar, über die Wärme von dem ersten Materialbereich 56 in den zweiten Materialbereich 58 einleitbar ist. Dadurch ist eine Wärmekopplung zwischen dem ersten Materialbereich 56 und dem zweiten Materialbereich 58 erreicht, durch die Reaktionsmedium und/oder Kühl- medium 30 in dem zweiten Materialbereich 58 erwärmbar ist.
Die Stege 68 können dabei beabstandet zu einer Grenzlage 70 des zweiten Materialbereichs 58 sein oder bis zu dieser Grenzlage 70 reichen (Figuren 4 und 5) und beispielsweise auf der Haltestruktur 62 bzw. dem dritten Material- bereich aufsetzen, um eine höhere Stabilität zu erreichen und die Wärmeübertragungsfläche in den zweiten Materialbereich 58 zu erhöhen.
Die Stege 68 können beispielsweise keilstumpfförmig oder zylindrisch oder pyramidenstumpfförmig ausgebildet sein (Figur 4) oder quaderförmig (Figur 5). Es ist auch möglich, dass die thermische Isolierschicht 64 Stege 72 aufweist, mit welchen sich diese an der Haltestruktur 62 bzw. dem dritten Materialbereich abstützt (Figur 3).
Die Stege 68 sind Elemente des ersten Materialbereichs 56, welche vom Material des zweiten Materialbereichs 58 zur Wärmeeinleitung umgeben sind. Die Stege 68 weisen dabei Kanäle auf, um den Transport von Reaktionsmedium und/oder Kühlmedium 30 zu der Oberfläche 60 zu ermöglichen. Die thermische Isolierschicht 64 kann ebenfalls Kanäle aufweisen, um den Transport von Reaktionsmedium und/oder Kühlmedium 30 hindurch zu dem ersten Materialbereich 56 und von dort an die Oberfläche 60 zu ermöglichen.
Die thermische Isolierschicht 64 dient zur Einstellung des Temperaturgradienten an der Schutzstruktur 54. Grundsätzlich ist es so, dass hohe Temperaturen nur im ersten Materialbereich 56 erwünscht sind. Die thermische Isolierschicht 64 bewirkt eine erhebliche Temperaturabsenkung; es liegt eine thermische (Teil-)Entkopplung des zweiten Materialbereichs 58 von dem ersten Materialbereich 56 vor. Die notwendige Wärmeeinleitung in den zweiten Materialbereich 58 erfolgt durch die Stege 68, so dass für einen genügenden Wärme- transport von dem ersten Materialbereich 56 in den zweiten Materialbereich 58 gesorgt wird und dieser Wärmetransport nicht alleine strahlungsbedingt ist.
Die Stege 68 und die Stege 72 können auch zur Erhöhung der mechanischen Stabilität der Schutzstruktur 54 beitragen.
Der erste Materialbereich 56 weist zwei Arten von inneren Grenzflächen auf, nämlich eine innere Grenzfläche 74, welche zu der thermischen Isolierschicht 64 weist, und eine innere Grenzschicht 76, welche an den Stegen 68 ausgebildet ist und eine Grenzschicht zu dem zweiten Materialbereich 58 ist. Die ent- sprechenden Kanäle zu der Oberfläche 20 können von der inneren Grenzfläche 74 zu der Oberfläche 60 verlaufen und/oder von der inneren Grenzfläche 76 zu der Oberfläche 60 verlaufen. Ansonsten funktioniert die Schutzstruktur 54 wie die Schutzstrukturen 10 und 46.
Die erfindungsgemäßen Schutzstrukturen können auf unterschiedlichen Ge- bieten verwendet werden. Beispielsweise lässt sich mit einer erfindungsgemäßen Schutzstruktur ein Thermalschutzsystem realisieren. Ein solches Thermalschutzsystem wiederum hat verschiedene Anwendungen wie beispielsweise Raumfahrtanwendungen.
Insbesondere ist die erfindungsgemäße Schutzstruktur grundsätzlich wieder befüllbar, d. h. in dem zweiten Materialbereich kann Kühlmedium und/oder Reaktionsmedium wieder eingelagert werden, so dass auch nach Erreichen der Schutzwirkung der Schutzstruktur eine Wiederverwendbarkeit möglich ist.
Beispielsweise kann beim Wiedereintritt eines Flugkörpers in die Atmosphäre ein entsprechendes Element 12 des Flugkörpers bei Erreichen von entsprechenden Temperaturen konturstabil gekühlt werden, wobei insbesondere eine Transpirationskühlung und/oder Effusionskühlung eingesetzt wird. Dabei kann auch eine nur zeitlich befristete Schutzwirkung erreicht sein (wenn keine Kühlmediumnachförderung in den zweiten Materialbereich erfolgt).
Es lassen sich beispielsweise auch Antriebskomponenten oder eine Brennkammer beispielsweise einer Rakete kühlen. Beispielsweise dient die Schutzstruktur als einmalig verwendbares, austauschbares Segment, welches wäh- rend eines Raketenstarts bei entsprechenden Temperaturen einen Kühlprozess bewirkt.
Eine erfindungsgemäße Schutzstruktur lässt sich beispielsweise auch im Ofenbau einsetzen. Bei einer thermischen Überlastung des Ofens wird durch eine Selbstaktivierung eine Kühlung erreicht.
Die erfindungsgemäße Lösung lässt sich beispielsweise auch zum Schutz und insbesondere Brandschutz von Bauwerken wie Gebäuden und Tunneln ein- setzen. Beispielsweise können Wände wie Tunnelwände aus Segmenten zusammengesetzt sein. Innerhalb einer entsprechenden Segmentstruktur kann eine Wasserversorgung vorhanden sein. Dadurch ist eine Reservoireinrichtung 34 bereitgestellt. Im Falle eines Brandes erfolgt eine Selbstaktivierung der er- findungsgemäßen Schutzstruktur. Es wird eine Wasserkühlung der Wände bewirkt mit Absenkung der herrschenden Temperaturen.
Beispielsweise kann auch ein Reaktor wie ein chemischer Reaktor oder ein nuklearer Reaktor im Fall einer thermischen Überlastung durch eine erfin- dungsgemäße Schutzstruktur selbstaktivierend gekühlt werden.
Für chemische Anwendungen wie beispielsweise in der Chemieindustrie, Petroindustrie oder bei Prozessführungen kann, wie oben beschrieben, eine Neutralisierung oder Abdichtung durchgeführt werden, wenn ein entsprechen- des Reaktionsmedium 30 eingesetzt wird.
Die erfindungsgemäße Schutzstruktur ist selbstaktivierend. Bei Überschreiten einer Temperaturschwelle bzw. wenn ein entsprechendes Beaufschlagungsmedium wirkt, kann der Austritt von Reaktionsmedium und/oder Kühlmedium 30 an die Oberfläche aktiviert werden. Die Schutzstruktur 10 selber kann grundsätzlich passiv ausgebildet werden. Das Reaktionsmedium und/oder Kühlmedium 30 ist in dem zweiten Materialbereich 18 bzw. 18' bzw. 58 eingelagert und dadurch zumindest temporär bereitgehalten.

Claims

Patentansprüche
1. Schutzstruktur, umfassend einen ersten Materialbereich (16; 16'; 56) mit einer in den Außenraum (22) weisenden Oberfläche (20; 60) und einer inneren Grenzfläche (24; 74, 76), wobei zwischen der äußeren Oberfläche (20; 60) und der inneren Grenzfläche (24; 76) Kanäle (26) zur Fluidführung verlaufen, und einen zweiten Materialbereich (18; 18'; 58), welche mindestens in Teilbereichen mit der inneren Grenzfläche (24) des ersten Materialbereichs (16; 16'; 56) thermisch verbunden ist und welcher porös ausgebildet ist, wobei in Poren (28) ein Reaktionsmedium und/oder Kühlmedium (30) eingelagert ist und Kanäle (32) zu der inneren Grenzfläche (24; 76) des ersten Materialbereichs (16; 16'; 56) zur Fluidführung verlaufen.
2. Schutzstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Materialbereich (16; 16', 56) und/oder der zweite Materialbereich (18; 18'; 58) offenporös ausgebildet ist.
3. Schutzstruktur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Materialbereich (18; 18'; 58) eine höhere Porosität als der erste Materialbereich (16; 16'; 56) aufweist.
4. Schutzstruktur nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Materialbereich (16; 16'; 56) und/oder der zweite Materialbereich (18; 18'; 58) durch Risse und/oder Bohrungen gebildete Kanäle (26; 32) aufweist.
5. Schutzstruktur nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der in den Außenraum (22) weisenden Oberfläche (20; 60) eine Schicht (40) aus Aktivatormedium (36) angeordnet ist und/oder die Kanäle (26) des ersten Materialbereichs (16; 16'; 56) mit Aktivatormedium (36) infiltriert sind, wobei das Aktivatormedium (36) die Kanäle (26) zu dem Außenraum (22) verschließt und wobei das Aktivatormedium (36) thermisch und/oder chemisch aktivierbar ist, um die Kanäle (26) zu dem Außenraum (22) hin zu öffnen.
6. Schutzstruktur nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Materialbereich (18; 18'; 58) mit einer Reservoireinrichtung (34; 50; 48) für Reaktionsmedium und/oder Kühlmedium (30) in fluidwirksamer Verbindung steht.
7. Schutzstruktur nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reservoireinrichtung durch einen dritten Materialbereich (48) gebildet ist oder solch einen Materialbereich umfasst.
8. Schutzstruktur nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Haltestruktur (14; 14'; 62), an welcher die Kombination aus erstem Materialbereich (16; 16'; 56) und zweitem Materialbereich (18; 18'; 58) fixiert ist.
9. Schutzstruktur nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Reaktionsmedium und/oder Kühlmedium in dem zweiten Materialbereich (18; 18'; 58) in gasförmiger, fester oder flüssiger Form oder als Gel eingelagert ist.
10. Schutzstruktur nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass Reaktionsmedium und/oder Kühlmedium (30) durch Kapillarwirkung und/oder durch Überdruck des Reaktionsmediums und/oder Kühlmediums (30) von dem zweiten Materialbereich (18; 18'; 58) an die Oberfläche (20; 60) des ersten Materialbereichs (16; 16'; 56) beförderbar ist.
11. Schutzstruktur nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Materialbereich (16; 16'; 56) und der zweite Materialbereich (18; 18'; 58) einstückig verbunden sind.
12. Schutzstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Materialbereich (16; 16'; 56) und der zweite Materialbereich (18; 18'; 58) durch getrennte Materiallagen hergestellt sind.
13. Schutzstruktur nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Materialbereich (56) und dem zweiten Materialbereich (58) eine thermische Isolierschicht (64) angeordnet ist.
14. Schutzstruktur nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Isolierschicht (64) mehrfach zusammenhängend ist.
15. Schutzstruktur nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich von Löchern (66) der thermischen Isolierschicht (64) der erste Materialbereich (56) und der zweite Materialbereich (58) thermisch verbunden sind.
16. Schutzstruktur nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass an Löchern (66) der thermischen Isolierschicht (64) Stege von dem ersten Materialbereich (56) in den zweiten Materialbereich (58) ragen.
17. Schutzstruktur nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass Stege (68) bis zu einer Haltestruktur (62) für den zweiten Materialbereich (58) ragen.
18. Schutzstruktur nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass Stege (68) quaderförmig und/oder pyramidenförmig und/oder pyrami- denstumpfförmig und/oder kegelförmig und/oder kegelstumpfförmig und/oder keilförmig und/oder keilstumpfförmig und/oder zylindrisch ausgebildet sind.
19. Schutzstruktur nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (68) aus dem Material des ersten Materialbereichs (56) hergestellt sind.
20. Schutzstruktur nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Materialbereich (16; 16'; 56) aus einem Fasermaterial oder faserkeramischen Material oder keramischen Material hergestellt ist.
21. Schutzstruktur nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Materialbereich (16; 16'; 56) aus Graphit oder C/C oder SiC oder C-SiC oder C/C-SiC hergestellt ist.
22. Schutzstruktur nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium so gewählt ist, dass eine Transpirationskühlung und/oder Effusionskühlung erfolgt.
23. Verwendung der Schutzstruktur gemäß einem der vorangehenden Ansprüche als Thermalschutzsystem für Flugkörper oder für eine Brennkammer oder für einen Ofen oder für den Brandschutz eines Bauwerks oder für einen Reaktor.
24. Verwendung der Schutzstruktur gemäß einem der Ansprüche 1 bis 22 für die Neutralisierung von chemischen Stoffen, wobei das Reaktionsmedium als Reaktant für einen die Schutzstruktur beaufschlagenden chemischen Stoff gewählt wird.
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