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Antriebsatz aus festem Treibstoff mit Stützgerüst und Verfahren zu
seiner Herstellung Die Erfindung bezieht sich auf einen Antriebsatz für Raketen
aus festem Treibstoff und Abstützung dieses in der Brennkammer.
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Für die festen homogenen Treibstoffe und auch Verbundtreibstoffe (Compounds)
ist kennzeichnend, daß sich mit zunehmender Temperatur ihre technologischen Eigenschaften
ändern. Infolge der zunehmenden Erweichung der festen Treibstoffe bei höheren Temperaturgraden
nimmt die besonders interessierende Druckfestigkeit unverhältnismäßig stark ab.
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Feste Treibstoffe werden jedoch nicht nur bei Raum- oder Normaltemperatur
verwendet, sondern je nach den klimatischen Verhältnissen bis zu Temperaturen von
-f-60° C in tropischem und -50° C in arktischem Klima. Bei der Verwendung der Treibsätze
in tropischem Klima reicht die Festigkeit eines zylindrischen oder auch profilierten
Treibsatzes um so weniger aus, je länger diese Treibsätze geformt werden. Treibsatzzylinder
größerer Länge sind aber andererseits für die Gestaltung von Hochleistungsraketen
erforderlich.
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Es ist bekannt, daß bei Raketen, die durch festen Treibstoff angetrieben
werden, die Treibstoffkörper deshalb abgestützt werden müssen, damit sie sich während
des Abbrennens nicht verlagern und damit Wirbelbildungen im austretenden Gasstrahl
verursachen. Auch ist bekanntgeworden, daß die Treibstoffkörper während des Brennvorganges
oft zerfallen bzw. ausbröckeln, was die gleichen Mängel hervorruft. Es sind deswegen
schon eine Menge besonderer Vorkehrungen getroffen worden, diese Übelstände abzustellen.
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So wurde schon durch eine Reihe mechanischer Mittel versucht, die
Treibstoffkörper in ihrer Lage zu halten wie z. B. durch Einkleben, Befestigung
in Schlitzen der Brennkammerwand, Auffädeln auf Stäben oder Rohre, Einlegen von
Zwischenplatten zwischen die Treibstoffkörper, sie durch geeignete Vorrichtung frei
im Triebwerk aufzuhängen und anderes mehr. Auch die Verbesserung der Haftung der
Treibstoffkörper auf den Haltemitteln durch Haftkegel wurde schon vorgeschlagen.
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Zwecks Auffangens der abgebröckelten Stücke wurden Siebe in die Brennkammer
eingebaut, die zugleich dem Gasstrahl zur lamellaren Strömung verhelfen sollten.
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Jedoch ließ sich mit allen diesen Maßnahmen immer nur ein Teilerfolg
erzielen, wenn es auch gelang, die unzureichende Festigkeit der Treibkörper bei
höheren Temperaturen dadurch aufzufangen, daß die Treibsätze in Form von Hohlzylindern
ausgebildet und mit einem zwischen ihnen verbleibenden ebenfalls zylindrischen Brennraum
ineinandergesteckt verwendet wurden. Hierbei wurde der äußere Zylinder mit seiner
äußeren Oberfläche auf der inneren Wand der Brennkammer und der innere Zylinder
mit seiner inneren Oberfläche auf einem zentralen Rohr befestigt, das, Brennkammerdeckel,
Düsenboden und Mantelrohr zusammenhält.
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Es wurde also ein Außenbrenner mit einem Innenbrenner kombiniert und
dabei durch die Halterung erreicht, daß der Treibsatz während des Abbrennens nicht
zusammenbricht.
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Neuerdings ist vorgeschlagen worden, den Treibsatz, der auf der Basis
Oxydationsmittel, Brennstoff und Bindemittel bestehen soll, in lamellen- oder wabenförmige
Schichten oder Hohlkörper einzubringen, die ebenfalls aus Komponenten oder Abkömmlingen
eines Treibstoffes höherer Festigkeit oder einem brennbaren Metall gefertigt sind.
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In vielen Fällen wird jedoch ein Treibsatz verlangt, der eine große
brennbare Oberfläche besitzt, um möglichst kurze Brennzeiten zu erreichen. Ein solcher
Treibsatz wird als Allseitsbrenner bezeichnet. Bei ihm ist eine Befestigung wie
vorbeschrieben aber nicht mehr möglich, da bei ihm, wenn er z. B. in Röhrenform
ausgebildet wird, die Bohrungs-, Außen- und Stirnflächen gleichzeitig abbrennen
müssen.
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Es wird deshalb nach dem Erfindungsgedanken vorgeschlagen, in die
Treibstoffmasse der Körper ein Stützgerüst skelettartig einzulagern, das mit der
Masse fest verbunden ist.
Erfindungsgemäß wird ein solches in der
Weise vorgesehen, daß der hohlzylindrische Treibsatzkörper aus zwei ineinandergesteckten
Pulverröhren besteht, die im mittleren Wandungsdurchmesser einen auf der ganzen
Länge gleichbleibend verlaufenden Zwischenraum besitzen. Dieser Zwischenraum wird
mit einem Bewehrungsmaterial, beispielsweise in Form von Glasfasermatten, ausgefüllt,
die mit einem entsprechenden aushärtbaren Kunstharz getränkt werden, welches nach
seiner Aushärtung sich sowohl mit der inneren Oberfläche der äußeren Zylinderröhre
und der äußeren Oberfläche der inneren Zylinderröhre sowie der Glasfaser verbindet.
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Bei einem allseits abbrennenden Pulverkörper in Form einer vorbeschriebenen
Pulverröhre ist nicht nur eine Abstützung in der Längsachse erforderlich, es ist
auch notwendig, einen solcherart abgestützten Körper an den Enden mit sogenannten
Abschlußkappen zu versehen, welche die etwas hervorstehenden Enden des Stützgürtels
umschließen und so ausgebildet werden können, daß sie eine umlaufende Nut für die
Zentrierung des Pulverkörpers besitzen. Mit dieser Zentrierung in den Abschlußkappen
wird erreicht, daß mittels einer Pulverstütze der sonst frei in der Pulverkammer
ohne Abstützung angeordnete Treibsatz auch während seines Abbrandes zentriert bleibt,
wodurch nicht nur der einwandfreie Abbrand, sondern auch das zentrische Ausströmen
der Pulvergase in axialer Richtung gewährleistet bleibt.
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Solche dem Gedanken der Erfindung entsprechenden, mit Glasfaser oder
-matten armierten Pulverröhren und Zentnermöglichkeit an beiden Enden können gegebenenfalls
auch in mehrfacher Anordnung in der Brennkammer des Raketenmotors angeordnet werden.
Bei solcher Anordnung ist es möglich, Feststoffraketen in Längen herzustellen, wie
sie bei der Anwendung von den bereits eingangs geschilderten rein mechanischen Pulverabstützungen
durch Brennkammerrohr bzw. zentrales Mittelrohr usw. bisher technisch .nicht erreicht
werden können. Es ist allerdings erforderlich, bei der Verwendung von mehreren hintereinander
angeordneten Treibsätzen mit Mittelstützgerüsten dieses als Körper gleicher Festigkeit
zu gestalten. Es muß am Düsenboden stärker sein als an der Deckelseite des Raketenmotors,
damit die beim Antriebsvorgang auftretenden mechanischen Belastungen aufgefangen
werden können. Hierbei ist zu bemerken, daß für den allgemeinen Gedanken, einen
Raketentreibsatz aus mehreren hintereinander angeordneten Einzeltreibsätzen aufzubauen,
hier kein Schutz verlangt wird.
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Die nach dem Erfindungsvorschlag geformte Mittelabstützung bzw. das
Stützgerüst von Pulverröhren kann ferner je nach Beanspruchung des Treibsatzes so
geformt und bemessen werden, daß Beschleunigungen von l000 g und mehr dem Treibsatz
zugemutet werden können, wobei g = Fallbeschleunigung ist.
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Der Gegenstand der Erfindung ist in den Zeichnungen schematisch und
im Prinzip dargestellt und in der Beschreibung mit seinem Herstellungsverfahren
näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 einen Längsschnitt durch einen einfachen Antriebssatz,
F i g. 2 einen Längsschnitt durch einen zusammengesetzten Antriebssatz, F i g. 3
den Teilschnitt durch die Pulverstütze und Abschlußkappe, F i g. 4 Abwicklung der
Pulverstütze, F i g. 5 das Schema der Herstellungsvorrichtung. Ein einzelner Antriebssatz
besteht, wie aus F i g. 1 ersichtlich, aus den Pulverrohren 1 und 2 als Treibsatz,
die entweder zylindrisch oder mit profiliertem Querschnitt geformt sein können,
aber die gleiche Länge haben. Zwischen den beiden genannten Pulverröhren verbleibt
ein hohlzylinderischer Zwischenraum, den das Stützgerüst 3, das aus kunstharzgetränkten
Glasfasermatten od. dgl. geformt ist, ausfüllt und die beiden Enden der ineinandergesteckten
Pulverröhren 1 und 2 als Verlängerung 8 überragt. Diese Verlängerungen 8 dienen
dazu, die Abschlußkappen 4 fest mit dem Treibsatz 1, 2 zu verbinden.
Die Abschlußkappen 4 sind ebenfalls aus einem härtenden Gießharz an die Stirnseiten
der Treibsatzröhren 1, 2 angegossen und umschließen die überstehenden Enden
8 des Stützgerüstes 3. In den Abschlußkappen 4 sind Ringnuten
5 mit rechteckigen oder trapezförmigen Querschnitten eingearbeitet, in welche
die Pulverstütze 25 hineingreift und die zentrische Lage des Treibsatzes in der
Brennkammer sichert. Am Deckel ist die Pulverstütze 25 nach F i g. 3 und 4 in einer
elastischen Zentrierung 21 gelagert, während sie am Düsenboden mit den Füßen
der Torbogen ähnlichen Öffnungen 26 in nicht gezeichnete Nuten zwischen den Düsen
eintritt oder sonstwie zentriert ist. Zum Druckausgleich sind in den Pulverstützen
dieLöcher 27 eingebracht. Ein zentrales Rohr oder Stab 23 verbindet den Düsenboden
18 mit dem Deckel 20 und hält diese beiden mit dem Brennkammerrohr
17 bzw. 17' fest verbunden.
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Wenn ein längerer Antriebssatz gebraucht wird, werden zweckmäßig mehrere
Einzelsätze hintereinandergesetzt und durch ein gemeinsames Stützgerüst 22 nach
dem weiter unten geschilderten Verfahren miteinander verbunden. Die F i g. 2 zeigt
eine solche Ausführung mit drei Einzelsätzen 24, 24' und 24". In einem solchen
Fall muß das Stützgerüst angenähert als Körper gleicher Festigkeit ausgebildet werden
und erhält deswegen entsprechend der Länge jeden Pulverrohres 24, 24', 24"
verschiedene Stärken, wobei der Teil des Stützgerüstes 22, der dem Düsenboden
am nächsten liegt, stärker ausgebildet wird als die vor ihm liegenden.
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Ein durch die oben geschilderte Art zusammengebauter Antriebssatz
als Allseitsbrenner hat den Vorteil, starr und fest durch das Stützgerüst sowohl
mit den Treibsätzen als auch mit der Brennkammer fest verbunden zu sein und dabei
eine hohe Startgeschwindigkeit zu haben.
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In F i g. 5 ist beispielsweise eine provisorische Vorrichtung für
das Herstellungsverfahren dargestellt, die schematisch den Herstellungsgang wie
folgt erläutert: Das innere Pulverrohr 1 wird von seinem äußeren zylindrischen Umfang
mit Matten aus Glasfaser in zwei oder mehr Lagen je nach Stärke des Stützgerüstes
fest umwickelt, so daß die Matten an beiden Enden 8 überstehen. Hierauf wird das
äußere Pulverrohr 2 über dieses so umwickelte Rohr 1 übergeschoben und die überstehenden
Enden 8 unter Umständen auf Maß beschnitten. Schmale Keile 6
aus Holz oder
Kunststoff zentrieren die beiden Pulverrohre 1 und 2 an beiden Enden. Das überstehende
Ende 8 der Gewebe wird später von den angegossenen Isolationen 4 fest umschlossen
und sichert die innige Verbindung mit den Pulverrohren 1 und 2.
Nach
Beendigung dieser Vorbereitungsarbeiten wird mit Hilfe des Prinzips der kommunizierenden
Röhren 10, 15 nur mit leichtem Druck Harz in den Zwischenraum gedrückt. Um Luftblasen
schnell zu entfernen bzw. zu vermeiden, kann auch oben ein Vakuum angelegt werden.
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Ist der Zwischenraum gefüllt (etwa 20 bis 30 Minuten), wird der Harzzufluß
mittels Schlauchklemme oder Hahn 16 gestoppt. Da das Harz gering in das Pulver eindringt,
muß einige Male etwas Harz wieder zufließen. Die Harzmischung ist so eingestellt,
daß sie nach etwa 1 bis 11!2 Stunden geliert. Vollständiges Aushärten erfolgt über
Nacht.
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Die gut mit Trennmittel eingefettete Gießform 9 kann am nächsten Tag
leicht entfernt werden. Anschließend wird das Pulver auf die mit Harz gefüllte Gießform
14 umgesetzt, das Harz härtet nach 9 bis 10 Minuten aus, die Form wird entfernt.