DE19642407B4

DE19642407B4 - Vorrichtung für die Lageregelung eines Raumflugkörpers mittels Betätigung eines Gasventils mit beweglicher Düse

Info

Publication number: DE19642407B4
Application number: DE19642407A
Authority: DE
Inventors: André DUMORTIER; Jean-Gabriel Faget
Original assignee: Societe Nationale dEtude et de Construction de Moteurs dAviation SNECMA
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1995-10-20
Filing date: 1996-10-14
Publication date: 2005-03-24
Anticipated expiration: 2016-10-15
Also published as: DE19642407A1; GB2306576A; JPH09170499A; GB9621547D0; CA2188393C; FR2740106B1; GB2306576B; CA2188393A1; US5749559A; FR2740106A1

Abstract

Vorrichtung für die Lageregelung eines Raumflugkörpers durch Gasventilbetätigung, mit
einer Düse (20),
einem Kanal (12) zur Versorgung der Düse mit heißem Gas,
einer Düsennadel (18) zwischen Gasversorgungskanal und Düse,
einem Ventil mit einem Sitz (22), wobei der Sitz (22) des Ventils mit der Düse (20) verbunden ist und diese in Bezug auf die Düsennadel (18) so beweglich ist, daß das Öffnen und das Schließen des Ventils durch Bewegung der Düse erfolgt,
einem Kolben (26), der in einem Zylinder (32) verschieblich ist, und
einer Vorrichtungen zum Steuern des Öffnens und des Schließens des Ventils zum Aufbau oder zur Unterbrechung einer Verbindung zwischen Versorgungskanal und Düse,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Steuervorrichtungen ein Steuerventil (40) aufweist, und
der Kolben (26) mit der Düse (20) verbunden ist und den Zylinder (32) in eine erste Kammer (34), die permanent mit dem Versorgungskanal (12) verbunden ist, und...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Lageregelung durch Steuerung der Lage von Raumflugkörpern unter Verwendung eines Gasventils und insbesondere auf eine Vorrichtung mit einer Düse, einem Gasversorgungskanal, einer Düse mit Sitz und einer Düsennadel zwischen Zufuhrkanal und Düse und Vorrichtungen zur Steuerung des Öffnens oder des Schließens des Ventils zum Aufbau oder zur Unterbrechung einer Verbindung zwischen Versorgungskanal und Düse.
Es ist allgemein bekannt, ein Raumgefährt durch selektive Emissionssteuerung von Gasen durch Düsen für die Lageregelung, welche über den Körper des Raumgefährts verteilt sind, auf seine Bahn zu lenken. Die Gase sind im allgemeinen heiße Gase, die in einem Gasgenerator mit Festtreibstoff erzeugt werden.
Gewöhnlich wird die Emission von Gas durch jede der Düsen von einem Hauptventil mit einer beweglichen Düsennadel und einem festen Sitz gesteuert. Die Düsennadel wird durch einen beispielsweise elektrischen, elektropneumatischen oder hydraulischen Antrieb bewegt.
Die Präzision der Lageregelung des Raumflugkörpers erfordert sehr kurze Reaktionszeiten und daher relativ leistungsfähige Antriebe bezüglich des Gasdrucks. Außerdem haben die Gase eine sehr hohe Temperatur, insbesondere bei einem Generator mit einem speziell starken Impuls, was eine effiziente Isolierung des Antriebs in Bezug auf das Gas erfordert. Folglich ist es notwendig, eine Düsennadel zu verwenden, die mit einem Steuerhebel versehen ist, der ausreichend haltbar ist, um die vom Antrieb ausgeübte Wirkung zu übertragen, und ausreichend lang, um diesen von der Düsennadel thermisch zu isolieren.
Daraus ergibt sich ein komplexer Aufbau und ein relativ großer Aufwand in Bezug auf das Steuersystem des Ventils, selbst wenn thermostrukturierte Verbundmaterialien wie Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundmaterialien für die Düsennadel und ihren Steuerhebel verwendet werden, wie es in dem Artikel von J.F. Sevellec empfohlen wird, der den Titel trägt "Development and Testing of Carbon/Carbon Valves and Tubings for Hot Gas Flow Control", AIAA/SAE/ASME/ASEE 23. Joint Propulsion Conference vom 29. Juni bis 02. Juli 1987, San Diego, Kalifornien.

Aus der US 3302890 ist eine Rakentendüse bekannt, bei der ein im Düsenauslass vorgesehener Ventilsitz mit einer Nadel veschließbar ist, die mit einem Kolben verbunden ist. Die Düse ist mit dem Zylinder um den Kolben verschieblich.

Aus der US 4826104 ist ein Schubsystem bekannt, bei dem ein im Düsenauslass vorgesehener Ventilsitz mit einem Konus veschließbar ist, der mit dem Düsengas steuerbar ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung für die Lageregelung eines Raumflugkörpers anzugeben, die einfach und kompakt aufgebaut ist und eine geringe Masse und kurzer Manöverzeiten aufweist.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Dieses Ziel wird erreicht, indem erfindungsgemäß der Sitz des Ventils mit der Düse verbunden wird und diese in Bezug auf die Düsennadel beweglich ist, so daß das Öffnen und das Schließen des Ventils durch Bewegung der Düse erfolgt, und indem die Bewegung der Düse direkt durch die heißen durch die Düsen strömenden Gase gesteuert wird.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Durchlasses für das Gas dadurch gesteuert wird, daß die Düse manövriert wird und nicht die Düsennadel, welche fest ist. Somit sind die Probleme bei der Übertragung der Wirkungen des Antriebs auf die Düsennadel und bei der Isolierung des Antriebs in Bezug auf die heißen Gase eliminiert.

Außerdem wird die Bewegung der Düse direkt durch die heißen Gase gesteuert, ohne daß Hilfsfluide notwendig werden. Hierzu ist die Düse mit einem Kolben verbunden, der in einem Zylinder gleitet und das untere Volumen desselben in einer ersten Kammer, die permanent mit dem Versorgungskanal verbunden ist, von einer zweiten Kammer trennt, die mit der ersten verbunden ist, und in welche ein Auslaßkanal mündet, der mit einem Steuerventil verbunden ist. Das Steuerventil wird durch einen Antrieb gesteuert, der in seinen Dimensionen sehr viel kleiner ausgelegt werden kann, als der, der beim Stand der Technik verwendet wird, um das Hauptventil zu steuern. Außer-dem haben die Gase, die von dem Steuer ventil durch den Auslaßkanal kommen, eine niedrigere Temperatur als die am Aus-gang des Versorgungskanals.

So kann das System zur Steuerung des Ventils für heiße Gase sehr viel weniger aufwendig gestaltet werden und weniger leistungsfähig ausgelegt werden, was der Kompaktheit des Ganzen zugutekommt, ohne der Effizienz zu schaden, da die heißen Gase direkt auf das Ventil einwirken.

Die Erfindung ergibt sich aus der folgenden Beschreibung eines Beispiels, wobei Bezug genommen wird auf die einzige beigefügte Zeichnung, die eine Schnittansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung eines Gasventils darstellt, wobei das Ventil in geschlossener Position im Halbschnitt im linken Teil der Figur und in der offenen Position im Halbschnitt im anderen Teil der Figur dargestellt ist.

In der Figur bezeichnet 10 eine Grundplatte, die mit dem Körper des zu orientierenden Raumflugkörpers verbunden ist und auf der eine Vorrichtung eines Ventils für heiße Gase von einem (nicht dargestellten) Gasgenerator über eine durch die Grundplatte 10 hindurchtretende Versorgungsleitung 12 verbunden ist. Die Leitung 12 mündet im Inneren einer Kammer 14, von wo die Gase selektiv durch eine Düse 20 austreten gelassen werden können. Die Kammer 14 ist teilweise durch einen Rohrabschnitt 16 definiert, der aus der Grundplatte 10 vorragt.
Mehrere ähnliche Vorrichtungen, die individuell angesteuert werden, sind um den Raumflugkörper montiert, um die Lage desselben zu steuern.
Das Öffnen oder Schließen der Verbindung zwischen Kammer 14 und der Düse 20 wird durch die Entfernung von Düsennadel 18 und Sitz 22 voneinander oder das gegenseitige Annähern aneinander gesteuert.
Die Düsennadel 18 befindet sich an dem Ende eines Hebels 18a, der in der Kammer 14 axial angeordnet ist und am Grund derselben verschraubt ist, so daß die Düsennadel in Bezug auf die Grundplatte 10 fest ist.
Der Sitz 22 ist an dem Ende eines Rohrabschnitts gebildet, der die Düse 20 stromaufwärts verlängert, in Bezug auf das Ausströmen des Gases in den Expansionsbereich der Düse. Stromabwärts gesehen, ausgehend von seinem stromaufwärtigen Ende, umfaßt der Rohrabschnitt einen ersten ringförmigen Abschnitt 24, einen zweiten ringförmigen Abschnitt 26 mit Außendurchmesser, der größer als der des Abschnitts 24 ist, und einen dritten ringförmigen Abschnitt 28 mit einem Durchmesser, der kleiner als der des Abschnitts 26 ist. Der Sitz 22 ist um den zentralen Durchlaß des ringförmigen Abschnitts 24 am Ende desselben gebildet, wobei der Abschnitt 24 ohne Spiel in der Kammer 14 gleiten kann und sich ein Dichtring 24a zwischen beiden befindet.
Die Emission oder die Unterbrechnung des Durchtritts heißer Gase durch die Düse 20 wird durch die Bewegung der Düse gesteuert, bei der der Sitz 22 von der Düsennadel 18 entfernt oder beide gegeneinander gedrückt werden. Die Steuerung der Düse erfolgt direkt durch die heißen Gase, die durch die Düse strömen wie bei einem elektropneumatischen Ventil mit freiem Kolben.
So wird eine Ringmuffe 30 auf den Rohrabschnitt 16 der Grundplatte 10 geschraubt, so daß ein Zylinder 32 definiert wird, in welchem der Ringabschnitt 26 der Düse 20 als Kolben gleiten kann, der das innere Volumen des Zylinders 32 in eine erste Kammer 34 und eine zweite Kammer 36 unterteilt. In ihrem Endabschnitt 38 gegenüber der Grundplatte 10 hat die Muffe 30 einen Innenabschnitt, der kleiner als der Zylinderabschnitt 32 ist, so daß der Ringabschnitt 28 darin ohne Spiel gleiten kann, wobei sich ein Dichtungsring 28a zwischen beiden befindet. Die Innenwände des Zylinders 32 und des Endabschnitts 38 der Muffe sind miteinander über eine Schulter 37 verbunden.
So sind die drei Abschnitte 24, 26, 28 der Düse gleitend in den zylindrischen Abschnitten 14, 32, 38 mit jeweiligen entsprechenden Durchmessern untergebracht, wobei die Innernquerschnitte S1, S2, S3 der Kammer 14 des Zylinders 32 und des Abschnitts 38 so gewählt sind, daß S2 > S1 und S2 > S3.
Die Durchlässe 25 in dem Körper der Düse 20 sorgen für die permanente Verbindung der Kammer 14 mit der Kammer 34, so daß diese konstant auf dem Druck P der heißen Gase gehalten wird. Man wird feststellen, daß der Ring 28a die Kammer 34 nach außen abdichtet.
Der Kolben 26 ist mit einem Dichtring 26a versehen, der gegen die Zylinderwand 32 drückt. Jedoch besteht eine Verbindung mit reduziertem Durchlaßquerschnitt oder Auslaßquerschnitt zwischen Kammer 34 und Kammer 36. In dem dargestellten Beispiel hat diese Verbindung die Form eines Auslaßquerschnitts 27a zwischen dem Zylinder 32 und dem stromabwärts liegenden Abschnitt des Kolbens 26 neben der Kammer 34, durch radiale Blindlöcher 27b in diesem stromabwärts liegenden Abschnitt des Kolbens auf seiner Peripherieoberfläche, und durch longitudinale Bohrungen 27c, die eine Verbindung zwischen den Löchern 27b und der Kammer 36 herstellen.
Die Kammer 36 ist von der Kammer 14 durch den Ring 24a isoliert, aber mit einem Steuerventil 40 über einen Auslaßkanal 42 durch die Grundplatte 10 verbunden. Das Ventil 40 ist zum Beispiel ein elektromagnetsiches Ventil.
Die dargestellte Position in dem rechten Halbschnitt der Figur entspricht dem geschlossenen Steuerventil 40. Die Kammer 36 wird über die hergestellte Verbindung mit der Kammer 34 auf den Druck P der heißen Gase gebracht. Die Oberfläche des Kolbens 26, die dem Druck P in der Kammer 36 ausgesetzt ist, ist dabei größer, als die, die demselben Druck in der Kammer 34 ausgesetzt ist, der Kolben 26 befindet sich in der stromabwärtigen Position, am Anschlag gegen die Schulter 37. Der Sitz des Verschlusses 22 ist von der Düsenspitze 18 entfernt, so daß die heißen Gase von dem Versorgungskanal 12 durch die Düse 20 austreten.
Wenn das Steuerventil 40 offen ist, erzeugt der rasche Abfall des Drucks in der Kammer 36 das Zurückfallen des Kolbens 26 und das Aufeinanderzubewegen des Sitzes 22 und der Düsennadel 18, wodurch die Verbindung zwischen Kanal 12 und Düse 20 (linker Teil der Figur) geschlossen wird.
Das Öffnen und das Schließen des Ventils erfolgt direkt durch die heißen Gase, wodurch ein effizientes und schnelles Umschalten ermöglicht wird, ohne daß ein Hilfsfluid nötig wird. Bei dem Steuerorgan handelt es sich um ein Steuerventil und nicht direkt um ein Hauptventil, was zu einer niedrigeren Leistungsanforderung führt und die Lösung des Problems thermischer Isolierung von den heißen Gasen auf einfache Weise mit einem kompakten Aufbau löst.

Claims

Vorrichtung für die Lageregelung eines Raumflugkörpers durch Gasventilbetätigung, mit einer Düse (20), einem Kanal (12) zur Versorgung der Düse mit heißem Gas, einer Düsennadel (18) zwischen Gasversorgungskanal und Düse, einem Ventil mit einem Sitz (22), wobei der Sitz (22) des Ventils mit der Düse (20) verbunden ist und diese in Bezug auf die Düsennadel (18) so beweglich ist, daß das Öffnen und das Schließen des Ventils durch Bewegung der Düse erfolgt, einem Kolben (26), der in einem Zylinder (32) verschieblich ist, und einer Vorrichtungen zum Steuern des Öffnens und des Schließens des Ventils zum Aufbau oder zur Unterbrechung einer Verbindung zwischen Versorgungskanal und Düse, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtungen ein Steuerventil (40) aufweist, und der Kolben (26) mit der Düse (20) verbunden ist und den Zylinder (32) in eine erste Kammer (34), die permanent mit dem Versorgungskanal (12) verbunden ist, und eine zweite Kammer (36), die mit der ersten verbunden ist und in welche ein mit dem Steuerventil (40) verbundener Auslasskanal (42) mündet, unterteilt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerventil (40) elektromagnetisch gesteuert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Kammer (36) mit der ersten Kammer (34) über einen Auslaßquerschnitt verbunden ist.