DE1177416B

DE1177416B - Solid propellant propulsion set with support structure and process for its manufacture

Info

Publication number: DE1177416B
Application number: DEK41751A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Chem Herbert Porrmann; Reinhold A Karsten
Original assignee: KUNSTSTOFFTECHNISCHE STUDIENGE
Current assignee: KUNSTSTOFFTECHNISCHE STUDIENGE
Priority date: 1960-09-24
Filing date: 1960-09-24
Publication date: 1964-09-03

Description

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.Solid propellant propulsion set with support frame and method too Its manufacture The invention relates to a propulsion unit for rockets made of solid fuel and support this in the combustion chamber.

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.For solid homogeneous fuels and also composite fuels (compounds) It is characteristic that their technological properties change with increasing temperature change. As a result of the increasing softening of the solid fuels at higher temperatures the compressive strength of particular interest decreases disproportionately.

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.Solid fuels are not only used at room or normal temperature used, but depending on the climatic conditions up to temperatures of -f-60 ° C in tropical and -50 ° C in arctic climate. When using the propellants In a tropical climate the strength of a cylindrical or profiled one is sufficient Propellant charge the less, the longer these propellant charges are formed. Propellant cylinder However, longer lengths are on the other hand for the design of high-performance missiles necessary.

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.It is known that when rockets are propelled by solid propellant the fuel body must therefore be supported so that it can move during during the burning process and thus vortex formation in the exiting gas jet cause. It has also become known that the fuel body during the burning process often disintegrate or crumble, which causes the same defects. It is because of that a lot of special precautions have already been taken to remedy these evils.

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.A number of mechanical means have already attempted to achieve this To keep fuel bodies in their position such. B. by gluing, fastening in slots in the combustion chamber wall, threading onto rods or tubes, inserting Intermediate plates between the propellant bodies, release them using a suitable device hang up in the engine and other things. Also improving the adhesion of the Propellant bodies on the holding means by means of adhesive cones has already been proposed.

Zwecks Auffangens der abgebröckelten Stücke wurden Siebe in die Brennkammer eingebaut, die zugleich dem Gasstrahl zur lamellaren Strömung verhelfen sollten.To catch the crumbled pieces, sieves were placed in the combustion chamber built in, which should also help the gas jet to lamellar flow.

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.However, all of these measures were only partially successful achieve, if it succeeded, the insufficient strength of the propellants to absorb higher temperatures that the propellant charges in the form of hollow cylinders formed and with a likewise cylindrical combustion chamber remaining between them were used interlocked. Here the outer cylinder with his outer surface on the inner wall of the combustion chamber and the inner cylinder fixed with its inner surface on a central tube, the combustion chamber cover, Holds nozzle base and jacket pipe together.

Es wurde also ein Außenbrenner mit einem Innenbrenner kombiniert und dabei durch die Halterung erreicht, daß der Treibsatz während des Abbrennens nicht zusammenbricht.So an external burner was combined with an internal burner and achieved by the holder that the propellant does not during the burning collapses.

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.Recently it has been suggested the propellant that is based on Oxidizing agent, fuel and binding agent should consist in lamellar or honeycomb-shaped Bring layers or hollow bodies, which also consist of components or derivatives a fuel of higher strength or a combustible metal are made.

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.In many cases, however, a propellant charge is required that is a large one has a flammable surface in order to achieve the shortest possible burning times. Such a Propellant is known as an all-round burner. With him there is a fastening like described above but no longer possible because with him, if he z. B. in tubular form is formed, the bore, outer and end faces burn off at the same time have to.

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.It is therefore proposed according to the concept of the invention, in the Fuel mass of the body to store a skeleton-like support structure, which with the Ground is firmly connected. According to the invention such is in the Way provided that the hollow cylindrical propellant body consists of two nested Powder tubes consists of one on the whole in the middle wall diameter Have a constant gap in length. This gap becomes filled with a reinforcement material, for example in the form of glass fiber mats, which are impregnated with a corresponding curable synthetic resin, which after its hardening is reflected in both the inner surface of the outer cylinder tube and the outer surface of the inner cylinder tube and the glass fiber.

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.In the case of a powder body that burns off on all sides in the form of a previously described one Powder tube not only requires support in the longitudinal axis, it is also necessary to have a body supported in this way at the ends with so-called To provide end caps, which the slightly protruding ends of the support belt enclose and can be designed so that they have a circumferential groove for the Have centering of the powder body. With this centering in the end caps it is achieved that the otherwise free in the powder chamber by means of a powder support propellant charged without a support remains centered even during its burnout, thereby not only the perfect burn, but also the centric outflow the powder gases remains guaranteed in the axial direction.

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.Such according to the idea of the invention, with fiber optics or -matt armored powder tubes and centering option at both ends if necessary can also be arranged in multiple arrangements in the combustion chamber of the rocket motor. With such an arrangement it is possible to manufacture solid rockets in lengths, such as when using the purely mechanical powder supports already outlined above by combustion chamber tube or central central tube etc. not yet technically achieved can be. However, it is necessary when using several in a row arranged propellants with central support structures this as a body of the same strength to design. It must be stronger on the nozzle bottom than on the lid side of the rocket motor, so that the mechanical loads occurring during the drive process are absorbed can be. It should be noted here that for the general idea, a Build rocket propellants from several individual propellants arranged one behind the other, no protection is required here.

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.The center support or the The support structure of powder tubes can also be so depending on the stress on the propellant charge Shaped and dimensioned that accelerations of 1000 g and more the propellant can be expected, where g = acceleration due to gravity.

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.The object of the invention is shown schematically and in principle in the drawings and explained in more detail in the description with its manufacturing method. It shows F i g. 1 shows a longitudinal section through a simple drive set, FIG. 2 shows a longitudinal section through an assembled drive set, FIG. 3 shows the partial section through the powder support and end cap, FIG. 4 Development of the powder support, F i g. 5 shows the scheme of the manufacturing device. A single drive set consists, as shown in FIG. 1 can be seen from the powder tubes 1 and 2 as propellants, which can be either cylindrical or shaped with a profiled cross-section, but have the same length. Between the two powder tubes mentioned, a hollow cylindrical space remains, which the support frame 3, which is formed from synthetic resin-soaked fiberglass mats or the like, fills and the two ends of the nested powder tubes 1 and 2 protrude as an extension 8. These extensions 8 serve to firmly connect the end caps 4 to the propellant 1, 2. The end caps 4 are also cast from a hardening resin on the end faces of the propellant tubes 1, 2 and enclose the protruding ends 8 of the support structure 3. In the end caps 4 , annular grooves 5 with rectangular or trapezoidal cross-sections are incorporated into which the powder support 25 engages and the central position of the propellant in the combustion chamber ensures. The powder support 25 according to FIG. 3 and 4 mounted in an elastic centering 21 , while it enters the nozzle bottom with the feet of the archway-like openings 26 in not shown grooves between the nozzles or is otherwise centered. The holes 27 are made in the powder supports for pressure equalization. A central tube or rod 23 connects the nozzle base 18 to the cover 20 and keeps these two firmly connected to the combustion chamber tube 17 or 17 '.

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.If a longer drive set is required, several individual sets are expediently placed one behind the other and connected to one another by a common support frame 22 according to the method described below. The F i g. 2 shows such an embodiment with three individual sets 24, 24 ' and 24 ". In such a case, the support structure must be designed approximately as a body of the same strength and is therefore given different strengths according to the length of each powder tube 24, 24', 24" Part of the support frame 22, which is closest to the nozzle bottom, is made stronger than that lying in front of it.

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.A drive set assembled by the manner outlined above as an all-round burner has the advantage of being both rigid and firm thanks to the support structure to be firmly connected to the propellant charges as well as to the combustion chamber and thereby to have a high take-off speed.

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.In Fig. 5 shows, for example, a provisional device for the manufacturing process, which schematically explains the manufacturing process as follows: The inner powder tube 1 is tightly wrapped around its outer cylindrical periphery with mats made of glass fiber in two or more layers depending on the strength of the support structure, so that the mats protrude at both ends 8. The outer powder tube 2 is then pushed over this so wrapped tube 1 and the protruding ends 8 may be cut to size. Narrow wedges 6 made of wood or plastic center the two powder tubes 1 and 2 at both ends. The protruding end 8 of the fabric is later firmly enclosed by the cast insulation 4 and ensures the intimate connection with the powder tubes 1 and 2. After completion of this preparatory work, using the principle of communicating tubes 10, 15, resin is only applied gently into the space pressed. In order to remove or avoid air bubbles quickly, a vacuum can also be applied at the top.

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.Once the space has been filled (about 20 to 30 minutes), the resin will flow in stopped by means of a hose clamp or tap 16. Since the resin penetrates little into the powder, some resin has to flow in again a few times. The resin mixture is set so that that it gels after about 1 to 11/2 hours. Complete curing takes place via Night.

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.The casting mold 9, which is well greased with release agent, can easily be removed the next day. The powder is then transferred to the resin-filled casting mold 14 , the resin hardens after 9 to 10 minutes, and the mold is removed.

Claims

Claims: 1. A method for producing a rocket propulsion unit of two concentrically arranged powder tubes with between the two powder tubes Ring-shaped support structure embedded like a skeleton, organic or inorganic Type that extends over the entire length of the powder tubes, characterized in, that first the inner powder tube (1) on its outer circumference with a double or multiple layers of glass mats (3) or similar wrapped and then in the outer tube (2) inserted and together with it in a suitable device (Fig. 5) is introduced, in which, after sealing the joints (11), the curable Synthetic resin mixture under slight pressure from an upright vessel, if necessary using a vacuum pump, from below into the space between the both powder tubes can be introduced.

2. Drive set, manufactured according to Method according to claim 1, characterized in that the with the support frame (3) and end caps (4) and the protruding ends (8) of the support frame (3) provided Powder tube (1, 2) on the end faces of the two end caps (4) annular grooves (5), which are insulated in a known manner with an incombustible varnish and serve to center the powder supports (25).

3. Drive set according to claim 1 and 2, characterized in that, depending on the length of the rocket, the propellant with support frame consists of several armored individual propulsion units (24, 24 ', 24 ") arranged one behind the other, the support frame (22") of the nozzle side associated propellant charge (24 ") has a greater radial strength than that of the subsequent individual propellant charges (24, 24 '). Considered publications: Swiss patent specification No. 307 639;" Flugkörper ", 2nd year, No. 6 (June 1960) , P.194, 195. Earlier patents considered: German Patent No. 1090 144.