DE10245741A1

DE10245741A1 - Schubdüse für eine Feststoffrakete

Info

Publication number: DE10245741A1
Application number: DE2002145741
Authority: DE
Inventors: Benedikt Dempfle; Karl Bauer; Frans Kremer
Original assignee: Bayern Chemie Gesellschaft fuer Flugchemische Antriebe mbH
Current assignee: Bayern Chemie Gesellschaft fuer Flugchemische Antriebe mbH
Priority date: 2002-10-01
Filing date: 2002-10-01
Publication date: 2004-04-22
Anticipated expiration: 2022-10-02
Also published as: DE10245741B4

Abstract

Eine Schubdüse einer Feststoff-Rakete weist eine Düsenstruktur (3) aus keramischem Material auf, die an der Innenkontur mit einer Verstärkung (7, 8) versehen ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schubdüse für eine Rakete mit Feststofftreibstoff nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die bekannten Düsenstrukturen für Feststoff-Raketen besitzen keine Innenkühlung und bestehen deshalb meist aus keramischen Werkstoffen, die eine sehr hohe Temperaturfestigkeit, jedoch nur eine geringe Druckfestigkeit aufweisen. Zur Erhöhung der Druckfestigkeit wird die Düsenstruktur daher am äußeren Umfang durch Faserschichten oder Metallummantelungen verstärkt. Diese Verstärkungen können sehr hohe Druckbelastungen aufnehmen und schützen damit den inneren keramischen Werkstoff der Düsenstruktur gegen Überbelastung und Risse.
Um das Raketengehäuse oder die sonstige Tragstruktur, an der die Düsenstruktur befestigt ist, vor der hohen Temperatur der Düsenstruktur zu schützen, ist es bekannt, an der Außenseite der Düsenstruktur eine Wärmeisolierung vorzusehen. Die Verstärkung erhöht jedoch den Außendurchmesser der Düse, wodurch der für die Wärmeisolierung notwendige Raum reduziert wird.

Aus DE 198 58 197 A1 geht eine Raketendüse mit einer Tragstruktur aus Metall, einer Düsenstruktur aus kohlenstofffaserverstärktem Siliziumcarbid und einer Isolierung an der Außenseite der Düsenstruktur hervor. Bei der Raketendüse nach DE-AS 1129022 ist die Düsenstruktur aus verstärktem Kunstharz an der Innenseite mit einer Metallauskleidung versehen und zwischen der Metallauskleidung und der Düsenstruktur eine Zwischenschicht aus Polyamid oder Polyethylen vorgesehen. Aus DE-AS 1235675 geht eine Düsenstruktur aus Metall mit einem Überzug aus Metalloxid hervor. Aus DE-PS 29 48 197 ist eine Düsenstruktur bekannt, die an der Innenseite mit Eliminationsschichten aus Kohlenstoff, Metall und wärmezerstörbarem Kunststoff versehen ist. Nach DE 3537844 A1 wird eine Düsenstruktur aus Carbid verwendet. Die Metall-Tragstruktur ist mit einer thermischen Schutzschicht aus kohlefaserverstärktem Kunststoff versehen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schubdüse für Feststoffraketen bereitzustellen, die hohe Temperatur- und Druckbelastungen aufnehmen kann, ohne den Außendurchmesser vergrößern zu müssen.

Dies wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Schubdüse erreicht. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wiedergegeben.

Nach der Erfindung wird die Verstärkung an der Innenkontur der Düsenstruktur befestigt. Damit wird der Außendurchmesser der Düse nicht vergrößert, sodass der für die Wärmeisolierung notwendige Raum zwischen Düsenstruktur und Raketengehäuse oder sonstiger Tragstruktur, an der die Düsenstruktur befestigt ist, beibehalten wird.

Auf der anderen Seite ist die Temperaturbeständigkeit der Verstärkung geringer als die des keramischem Materials der Düsenstruktur. Der Brennkammerdruck verringert sich allerdings bei Feststoffraketen meist schon nach kurzer Zeit so stark, dass die Verstärkung nur in der Anfangsphase des Abbrandes des Treibstoffs wirksam zu sein braucht.

Das hochtemperaturbeständige Material der Düsenstruktur kann beispielsweise aus silizierten Kohlenstofffasern bestehen. Jedoch ist auch jedes andere keramische, hochtemperaturbeständige Material für die aus einem einstückigen Körper bestehende Düsenstruktur einsetzbar.

Durch die Verstärkung wird die Düsenstruktur vor hohen Druckbelastungen geschützt. Die Verstärkung soll dazu eine hohe Druckfestigkeit und Steifigkeit vor allem in radialer Richtung besitzen. Sie besteht deshalb vorzugsweise aus einem Fasermaterial, bei dem sich die Verstärkungsfasern im wesentlichen in Umfangsrichtung erstrecken. Das Fasermaterial kann ein Gewebe, ein Wickelkörper oder dergleichen sein. Das Fasermaterial wird vorzugsweise als faserverstärker Kunststoff eingesetzt. Als Verstärkungsfasern kommen Kohlenstofffasern zum Einsatz. Jedoch können auch andere Verstärkungsfasern, beispielsweise Glasfasern, verwendet werden. Als Kunststoffe können insbesondere Epoxiharze, Polyester und andere Duroplaste eingesetzt werden. Ferner können für die Verstärkung Gewebelagen mit Fasern vornehmlich in Umfangrichtung verwendet werden, die mit Kunststoffen imprägniert sind, die unter Wärmeeinwirkung aushärten. Auch diese Kunststoffe können Epoxiharze, Polyester und andere Duroplaste sein.

Die Verstärkung kann durch wenigstens ein hülsenförmiges Bauteil gebildet werden, das eine der Innenkontur der Düsenstruktur angepasste kegelige Form besitzt. Das Bauteil kann durch Aufbringen des Fasermaterials auf einem Formkörper, dessen Außenkontur der Düsenstruktur entspricht und Aushärten des Kunststoffs hergestellt werden. Das Bauteil wird dann auf die Düsenstruktur festhaftend aufgebracht, vorzugsweise durch Verkleben.

Vorzugsweise werden zwei solche Bauteile hergestellt und zwar ein Bauteil, das an dem vorderen, also dem der Brennkammer zugewandten konvergierenden Abschnitt der Düsenstruktur befestigt wird und ein zweites Bauteil, das an dem hinteren, also dem divergierenden Abschnitt der Düsenstruktur befestigt wird.

Da der vordere, konvergierenden Abschnitt der Düse besonders hohen Druckbelastungen ausgesetzt ist, ist die Verstärkung vorzugsweise zumindest an dem vorderen Abschnitt vorgesehen. Das vordere Ende dieses Abschnitts, also der Düseneinlauf, ist einer besonders starken erosiven Gasströmung ausgesetzt. Vorzugsweise erstreckt sich die Verstärkung daher auch über den Düseneinlauf, also das vordere Ende des konvergierenden Abschnitts der Düsenstruktur.

Um den Wirkungsgrad und die Menge des Treibstoffs zu erhöhen, ist die an der Düsenstruktur befestigte Verstärkung an der Innenseite mit festem Treibstoff bedeckt, also der durch die Innenkontur der Düse begrenzte Innenraum teilweise mit Treibstoff ausgefüllt.

Nachstehend ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Düse anhand der Zeichnung erläutert, deren einzige Figur einen Längsschnitt durch den Düsenbereich einer Feststoff-Rakete zeigt.
Danach ist in dem Raketengehäuse oder sonstigen Tragstruktur 1 im Düsenbereich 2 der Rakete ein eine Düsenstruktur 3 bildender Körper vorgesehen, der an der Tragstruktur 1 unter Bildung von Hohlräumen 4 befestigt ist, welche mit einem nicht dargestellten wärmeisolierenden Material versehen sein können.
Die Düsenstruktur 3 weist einen vorderen Abschnitt 5 mit konvergierendem Innendurchmesser und einen hinteren Abschnitt 6 mit divergierendem Innendurchmesser auf. An dem vorderen Abschnitt 5 und dem hinteren Abschnitt 6 sind an der Innenkontur der Düsenstruktur 3 zu deren Verstärkung die Bauteile 7 bzw. 8 befestigt.
Die beiden Bauteile 7 und 8 bestehen aus einem faserverstärktem Kunststoff, z. B. einem mit Kohlefasern verstärktem Duroplast, wobei die Verstärkungsfasern im wesentlichen in Umfangsrichtung der Düsenstruktur 3 verlaufen.
Das Bauteil 7 bedeckt auch das vordere Ende 9 der Düsenstruktur 3 am Düseneinlauf. Die beiden Bauteile 7 und 8 bilden kegelige Hülsen, deren Außenkontur der Innenkontur der Abschnitte 5 und 6 der Düsenstruktur 3 entspricht. Die Bauteile 7 und 8 werden unabhängig von der Düsenstruktur 3 gefertigt und nachträglich an den keramischen Werkstoff der Düsenstruktur 3 geklebt. Der Feststofftreibstoff 10 der Rakete bedeckt zugleich die Innenseite der Verstärkung 7, 8.

Claims

Schubdüse für eine Rakete mit Festtreibstoff, mit einem sich mindestens zu einem Ende hin erweiternden inneren Durchmesser, mit einer Düsenstruktur aus keramischem Material, einer in Umfangsrichtung der Düsenstruktur verlaufenden Verstärkung und einer Wärmeisolierung an der Außenseite der Düsenstruktur, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkung (7, 8) an der Innenkontur der Düsenstruktur (3) befestigt ist.
Schubdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkung (7, 8) aus einem Fasermaterial besteht.
Schubdüse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern des Fasermaterials im wesentlichen in Umfangsrichtung ausgerichtet sind.
Schubdüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der konvergierende Abschnitt (5) der Düsenstruktur (3) mit der Verstärkung (7) versehen ist.
Schubdüse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Verstärkung (7) über das vordere Ende (5) des konvergierenden Abschnitts (5) der Düsenstruktur (3) erstreckt.
Schubdüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkung durch wenigstens ein an der Düsenstruktur (3) befestigtes Bauteil (7, 8) gebildet wird.
Schubdüse nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (7, 8) an der Düsenstruktur (3) angeklebt ist.
Schubdüse nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkung durch ein an dem konvergierendem Abschnitt (5) und ein an dem divergierendem Abschnitt (6) der Düsenstruktur (3) befestigtes Bauteil (7, 8) gebildet wird.
Schubdüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkung (7, 8) an der Innenseite mit Festtreibstoff (10) bedeckt ist.