DE3320557C2 - Verfahren zur Herstellung der Kühlwand einer Raketenbrennkammer und Verwendung derselben - Google Patents

Abstract

Die Erfindung ist insbesondere auf ein verbessertes Verfahren unter Anwendung der Pulvermetallurgie zur Herstellung der gekehlten Kühlwand einer Brennkammer einer Flüssigkeitsrakete abgestellt. Die Oberfläche eines die Kühlwand bildenden Innenmantels wird mit Kühlkehlen versehen, die dicht mit einem Füllstoff, z.B. Paraffinwachs, ausgefüllt werden. Danach wird Metallpulver, das für einen Außenmantel vorgesehen ist, rund um den Innenmantel zu vorbestimmter Dicke druckverformt. Dieses Metallpulver ist im Material dem des Innenmantels gleich. Nachdem das als Füllstoff dienende Paraffinwachs verdampft und entfernt ist, wird der druckverformte Metallpulverkörper in einem Ofen gesintert. Während dieser Sinter-Wärmebehandlung werden der Innen- sowie Außenmantel durch die Sinterreaktion zwischen den Atomen des Innenmantels und den Atomen des Metallpulvers fest miteinander verbunden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer gekehlten Kühlwand einer Raketenbrennkammer, insbesondere einer Brennkammer einer Flüssigkeitsrakete.

In den letzten Jahren ist die Kühlung einer Raketenbrennkammer zu einer der wesentlichsten Aufgaben geworden, da der Verbrennungsdruck des Triebwerks von Flüssigkeitsraketen angewachsen ist.

Zur Erläuterung des Standes der Technik wird auf die F i g. IA bis 3C Bezug genommen. Diese zeigen in

Fig. IA eine perspektivische Darstellung der Brennkammer eines Raketentriebwerks,

F i g. 1B in einer Vergrößerung den in F i g. 1A eingekreisten Teil der aus Rohren gebildeten Kühlwand,

F i g. 2 einen Teilschnitt einer gekehlten Kühlwand einer Brennkammer eines Raketentriebwerks,

F i g. 3A bis 3C die Arbeitsschritte bei einem Verfahren zur Herstellung einer gekehlten Kühlwand nach dem Stand der Technik.

Wie die F i g. 1B zeig», wurde bisher die Kühlwand einer Brennkammer (Fig. IA) aus mehreren hundert Rohren gefertigt. Eine derartige Rohrkonstruktion ist jedoch in ihrer Kühlleistung geringwertig und kann nicht bei einem Triebwerk mit hohem Verbrennungsdruck für große Wärmebelastung angewendet werden.

Aus diesem Grund wurde eine Brennkammer mit einer mit Kehlen oder Nuten versehenen Kühlwand gemäß Fig.2 entwickelt. Diese gekehlte Kühlwand hat zwei Vorzüge, und zwar ist einmal der Flächenbereich der Innenfläche 1 der Brennkammer, der mit den heißen Verbrennungsgasen in Berührung kommt, klein im Ver- * gleich zur Rohrkonstruktion von Fig. IB und zum anderen ist die Fläche der Kühlkanale 2, d. h. der Kühlbereich, groß. Insofern stellt das eine sehr vorteilhafte Konstruktion für ein Triebwerk von hohem Verbrennungsdruck dar.

jedoch warf die Herstellung einer solchen gekehlten Raketenbrennkammer zahlreiche Probleme auf. Bei dem Herstellungsverfahren gemrß dem Stand der Technik wurden nämlich, wie F i g. 3B zeigt, axial zur Brennkammer verlaufende Kehlen 5 in einen inneren Zylinder oder Mantel 4 (F i g. 3A), der aus Kupfer oder Kupferlegierung als ein Metall von guter Wärmeleitfähigkeit gefertigt ist, maschinell eingearbeitet. Anschließend wurde ein äußerer Zylinder oder Mantel 6 an der Außenseite des gekehlten Teils in der in Fig.3C gezeigten Weise angebracht, und dabei mußten der Innen- sowie Außenmantel 4 und 6 starr miteinander verbunden werden, ohne auf die der Kühlung dienenden Kehlen 5 ungünstig einzuwirken.

Das Hartlot- und das Galvanoplastik-(elektrolytisches Abscheidungs-Jverfahren sind für die Ausführung einer solchen Verbindung bekannt. Bei dem Hartlötverfahren fließt jedoch das Hartlötmaterial in die Kühlkehlen 5, so daß deren Querschnittsfläche Änderungen unterliegt, was es schwierig macht, eine vorbestimmte Kühlwirkung zu erhalten, und das kann in den meisten Fällen ein Verbrennen des Triebwerks nach sich ziehen. Auch ist es nahezu unmöglich, ein gleichförmiges Hartlöten am gesamten Triebwerk zu bewerkstelligen.

Bei dem Galvanoplastikverfahren wird dagegen ein Außenmantel 6 außerhalb vom Innenmantel 4 durch Elektroplattierung ausgebildet, und dieses Verfahren kommt beispielsweise bei der Herstellung eines Triebwerks für eine Raumfähre zur Anwendung. Der nach diesem Verfahren gebildete Außenmantel ermöglicht jedoch leicht die Erzeugung von Eigenspannung und ist somit in bezug auf Festigkeit schwach. Um eine solche Eigenspannung zu unterdrücken, ist es notwendig, die Elektrolysereaktion hinausziehen, und es ist zur Her stellung eines Außenmantels von vorbestimmter Dicke eine Reaktionszeit von einigen hundert bis tausend Stunden erforderlich. Darüber hinaus besteht der derart hergestellte Außenmantel 6 aus Nickel und ist somit in seiner Duktilität schwach, und es ist bekannt, daß die im Triebwerk hervorgerufene Spannung sich im Innenmantel 4 aus Kupfer konzentriert, wodurch die Standzeit des Triebwerks herabgesetzt wird.
Ziel der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zur Herstellung eines Außenmantels ohne die oben aufgeführten Nachteile durch Bekleiden des Innenmantels einer Kühlwand mit einem starren Außenmantel anzugeben.
Dieses Ziel der Erfindung wird durch ein Verfahren zur Herstellung der Kühlwand einer Brennkammer erreicht, das die folgenden Schritte umfaßt: Herstellen eines Innenmantels mit in dessen Oberfläche ausgebildeten Kehlen, Anfüllen der Kehlen des Innenmantels mit einem Füllstoff, Formpressen eines metallurgischen Pulvers als Außenmantelmaterial zu vorbestimmter Dicke rund um den Innenmantel, dessen Kehlen mit dem Füllstoff angefüllt sind, Herauslösen des Füllstoffes aus den Kehlen des Innenmantels und Sintern des preßgeformten Pulvers, um auf diese Weise einen mit dem Innenmantel verbundenen Außenmantel zu bilden.

Der Erfindungsgegenstand wird anhand der Fig.4 bis 6B näher erläutert, die die Arbeitsschritte bei einem Verfahren zur Herstellung einer gekehlten Kühlwand

2.

gemäß der Erfindung zeigen, wobei bei diesem Ausführungsbeispiel sowohl der Innen- wie der Außenmantel aus Kupfer bestehen.

Wie die F i g. 4 zeigt, wird der Innenmantel 11 zu vorbestimmter Gestalt durch maschinelle Bearbeitung ausgebildet. Die Kehlen 12 des Innenmai.tels 11 werden mit geschmolzenem Paraffinwachs ausgefüllt, so daß darin kein Loch vorhanden ist Nach Festwerden des Wachses 14 wird dann auf dieses ein Verdichtungsdruck in der Größenoronung von 1000bar, z.B. durch hydrostatisehen Druck, ausgeübt, um das Wachs dichter zu machen. Wenn sich das Wachs 14 aufgrund dieser Kompression absetzt, so kann weiteres Wachs zugegeben werden, um den Scheitel 15 der die Kehlen trennenden Stege und die Wachsoberfläche miteinander bündig auszubilden. Falls dieser Vorgang unvollständig oder mangelhaft ist, so wird eine Erscheinung auftreten, daß während der noch zu beschreibenden Ausbildung des Außenmantels 13 dieser aufgrund des Absetzens des Wachses 14 in die Kehlen hinein gerichtete Krümmungen erhält, weshalb der oben beschriebene Vorgang erforderlichenfalls zu wiederholen ist, bis festgestellt werden kann, daß ein Absetzen des Wachses 14 nicht durch den hydrostatischen Druck hervorgerufen wird.

Anschließend wird der Scheitel 15 der die Kehlen trennenden Stege des Innenmantels 11 oberflächenbearbeitet, z. B. mit Sandpapier, um damit deren Sintervermögen in bezug auf den Außenmantel zu steigern.

Der der oben beschriebenen Behandlung unterworfene Innenmantel 11 wird in eine Form eingebracht, in der ein Druckschlauch 16 angeordnet ist, und es wird, wie Fig. 5 zeigt, der Raum zwischen dem Innenmantel 11 sowie dem Druckschlauch 16 mit Kupferpulver 17 angefüllt, das in seinem Material gleich dem des Innenmantels 11 ist. Dieses Kupferpulver 17 kann Elektrolytkupferpulver von 37 bis 100 μίτι Teilchengröße sein.

Dann wird diese Kupferpulverschicht 17 kaltisostatisch an den Innenmantel angepreßt. Der Verdichtungsdruck mag in der Größenordnung von 1000 bar liegen.

Dieser isostatisch gepreßte Körper wird in einen Elektroofen eingebracht und in einer Wasserstoff- oder Edelgasatmosphäre oder im Vakuum gesintert, um eine Oxydation des Kupferpulvers zu unterbinden. Zuerst wird die Ofentemperatur auf 400° bis 500°C gehalten und das die Kehlen 12 füllende Wachs 14 dabei entfernt. Falls Paraffinwachs verbleibt, wird das Sintern beeinträchtigt, weshalb das Wachs restlos entfernt werden muß. Nachdem durch Augenschein oder mittels eines Instruments festgestellt worden ist, daß das Wachs vollständig verdampft ist, wird die Ofentemperatur auf etwa 900°C angehoben und auf diesem Wert für etwa zwei bis drei Stunden gehalten. Die Ofentemperatur und die Zeit, während welcher diese Temperatur gehalten wird, sind je nach dem Partikeldurchmesser des verwendeten Kupierpulvers, nach dem Preßdruck usw. mehr oder weniger variabel, und insofern müssen deren optimale Werte durch einen vorbereitenden Versuch vorherbestimmt werden. Aufgrund dieser Wärmebehandlung schreitet die Sinterreaktion nicht nur des Kupferpulvers, sondern auch zwischen den Kupferatomen des Innenmantels 11 und den Atomen des Kupferpulvers fort, so daß ein zäher, mit dem Innenmantel 11 ein einheitliches Ganzes bildender Außenmantel 13 entsteht.

Schließlich wird die gesinterte Schicht zu vorbestimmter Dicke maschinell fertigbearbeitet, womit der Außenmantel 13 fertiggestellt ist.

Teilschnittdarstellungen der fertiggestellten Kühlwand der Brennkammer sind in den Fig.6A und 6B gezeigt.

Bei dem oben beschriebenen Verfahren kann Keramikpulver, z. B. Aluminium- und Magnesiumoxid, mit dem die Kehlen 12 ausfüllenden Paraffinwachs gemischt werden. Ein derartig vermischtes Wachs hat eine große Dichte, und der Verdichtungsvorgang zur Verhütung des Absetzens der Wachsoberfläche durch den hydrostatischen Druck braucht viel weniger häufig ausgeführt zu werden als in dem Fall, da lediglich Paraffinwachs verwendet wird. Jedoch verbleibt das zugegebene Pulver noch nach dem Sintern des Außenmantels in den Kehlen, so daß es physikalisch oder chemisch durch Waschen oder eine chemische Behandlung entfernt werden muß.

Wie beschrieben wurde, wird gemäß der Erfindung der Außenmantel unter Verwendung eines Materials von gleicher Qualität wie für den Innenmantel sowie durch ein pulvermetallurgisches Verfahren hergestellt Das führt zu den folgenden Vorteilen:

Die Kühlkehlen sind mit einem Füllstoff während der Druckverformung des metallurgischen Pulvers angefüllt, weshalb kein Fließen in die Kehlen, wie im Fall des Hartlötens, auftritt und vorbestimmte Strömungskanäle für das Kühlmittel erhalten werden.

Das Metallpulver wird durch isostatischen Druck gleichförmig gegen den Innenmantel gepreßt, wodurch der Innen- sowie Außenmantel aus gleichem Material fest miteinander verbunden werden; damit ist die Möglichkeit des Auftretens einer teilweisen Abblätterung vollkommen ausgeschaltet.
Da für die Ausbildung des Außenmantels auf kein elektrochemisches Verfahren zurückgegriffen wird, tritt keine Eigenspannung auf und die Bearbeitungszeit wird stark verkürzt.
Weil der Innen- und Außenmantel aus Werkstoff gleicher Qualität gebildet werden, konzentriert sich die in der Raketenbrennkammer hervorgerufene Spannung nicht im Innenmantel, was für ein wiederverwendbares Raketentriebwerk von Vorteil und Bedeutung ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung der Kühlwand einer Raketenbrennkammer, gekennzeichnet

— durch Fertigen eines Innenmantels, in dessen Oberflächen Kehlen ausgefräst sind,

— durch Anfüllen der Kehlen des Innenmantels mit einem Füllstoff,

— durch kaltisostatisches Umpressen des so vorbereiteten Innenmantels mit Pulver desselben Werkstoffs, aus dem der innenmantel besteht, um einen Außenmantel vorbestimmter Dicke zu erhalten,

— durch Herauslösen des Füllstoffs aus den Kehlen des Innenmantels mit Wärme und ggf. einer Waschflüssigkeit und

— durch Sintern des kaltisostatisch gepreßten Pulvers zur Ausbildung eines mit dem Innenmantel verbundenen Außenmantels.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Elektrolytkupferpulver einer Teilchengröße von 37 bis 100 μπι kaltisostatisch gepreßt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Umpressen als Füllstoff eine Mischung aus Paraffinwachs und Keramikpulver kaltisostatisch in die Kehlen eingepreßt wird.

4. Verwendung der nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 hergestellten Brennkammer-Kühlwand in Triebwe.-ken von Flüssigkeitsraketen.