DE3428469A1

DE3428469A1 - Schubduese fuer feststoff-raketentriebwerke

Info

Publication number: DE3428469A1
Application number: DE19843428469
Authority: DE
Inventors: Armin Dipl.-Ing. 8011 Aschheim Lampert; Victor Dipl.-Ing. 3901 Königsbrunn Simon
Original assignee: Bayern Chemie Gesellschaft fuer Flugchemische Antriebe mbH
Current assignee: Bayern Chemie Gesellschaft fuer Flugchemische Antriebe mbH
Priority date: 1984-08-02
Filing date: 1984-08-02
Publication date: 1986-02-13
Also published as: DE3428469C2

Description

Schubdüse für Feststoff-Raketentriebwerke
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schubdüse für Feststoff-Raketentriebwerke, die innerhalb der Triebwerksatruktux eingebaut ist.
Schubdüsen für Feststoff-Raketentriebserke f die im hinteren Bereich des Triebwerksgehäuses konstrukti.v integriert sind, sind in verschiedenen Ausführungsformen bekannt. So zeigt z.B. die DE-PS 1 003 516 eine solche Anordnung, bei der die Schubdüse mit dem konvergent gestalteten hinteren Brennkammerende verschraubt und auf dem Schubdüsenende das Ende eines Triebwerksmantelteiles aufgeschraubt ist, dessen vorderes Ende am eigentlichen Triebwerksgehäuse, um unterschiedliche Wärmedehnungen aufnehmen zu können, ohne feste Verbindung formschlüssig anschließt.
Auch die DE-PS 22 04 006 offenbart eine Anordnung, wonach die Schubdüse innerhalb des Triebwerksgehäuses liegt und mit ihrem hinteren Ende mit dem hinteren Ende des Triebwerksgehäuses fest verbunden ist, während sich das vordere Ende der Schubdüse, das am hinteren Ende der Brennkammer angeschlossen ist, innerhalb einer dem Triebwerksgehäuse zugeordneten Gleitbüchse unter Zwischenlage einer wärmeisolierenden Hemmschicht beweglich abstützt.
Die bekannten Schubdüsenausführungen und -anordnunqen sind baulich aufwendig und erreichen die an sie gestellten Festigkeitsanforderungen nur durch quantitativen Materialeinsatz, was zu schwergewichtigen Konstuktionen führt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, mit geringem baulichem und materiallem Aufwand eine innerhalb der Triebwerksstruktur installierte Schubdüse hoher Festigkeit zu schaffen, die trotz Betriebsbelastung konturtreu bleibt und außerdem durch ihre Gestaltung zusätzlichen Raum für Treibstoffmasse mit sich bringt.
Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß die Schubdüse als ein hohles, in Triebwerkslängsrichtung gestrecktes Ringgehäuse ausgebildet ist das im Querschnitt ähnlich einem verschobenen Parallelogramm ausgeführt ist, dessen kürzere vordere, radial äußere Seite bzw. Ringwand und dessen kürzere vordere, radial innere Seite bzw. Ringwand zusammen keilförmig in die Brennkammer hineinragen, wobei die vordere, radial innere Ringwand zur Anordnung eines die Kontur des Düsenhalses bildenden, thermisch widerstandsfähigen massiven Ringes dient, während die hintere, radial äußere Ringwand insbesondere zylindrisch und mit der Triebwerks struktur lösbar oder unlösbar verbunden ist, und ferner die hintere, radial innere Ringwand den hinteren Teil des divergenten Schubdüsenbereiches bildet.
Der gemäß der Erfindung gestaltete Schubdüsenkörper stellt einen in sich steifen Kasten dar, der zusammen mit dem zylindrischen Triebwerksgehäuse bzw. der Brennkammer einen in sich geschlossenen und verstärkten Festigkeitsverband bildet und allen auf die Schubdüse einwirkenden Belastungen in günstiger Weise standzuhalten vermag sowie eine optimale Kräfteübertragunq auf das Triebwerksgehäuse gewährleistet. So wird der aus dem Brennkammerdruck resultierende, auf die Stirnfläche der Schubdüse lastende Axialdruck aufgeteilt und im Bereich der Schubdüsenbefestigung als Zug- und Druckkräfte auf das Triebwerksgehäuse übertragen, und zwar einmal über die vordere, radial äußere Ringwand als auf die hintere, radial äußere Ringwand einwirkende Schubkraft und zum anderen über die hintere, radial innere Ringwand als auf die hintere, radial äußere Ringwand einwirkende Zugkraft. Dabei wird der Schubdüsenkörper durch den auf die Projektionsfläche des divergenten Bereiches der Schubdüse lastenden axialen Schubgegendruck zumindest zum Teil in Längsrichtung entlastet.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß der den Düsenhals bildende massive Ring und die vordere, radial innere Ringwand des Schubdüsenkörpers nur in radialer Richtung von innen her thermisch belastet sind, und daß die vordere, radial äußere Ringwand, die mit einer thermischen Schutzschicht versehen ist, den Düsenhalsbereich vor zusätzlichen Wärmebelastungen schützt.
Ferner ist der erfindungsgemäß yestaltete Schubdüsenkörper durch seine steife Kastenbauweise, die dünne Wandstärken erlaubt, insgesamt leichtgewichtig. Schließlich bringt die erfindungsgemäße Formgebung des Schubdüsenkörpers festigkeitsmäßig noch den Vorteil mit sich, daß die radial von innen her und die in axialer Richtung von vorne her auf den hohlen Schubdüsenkörper einwirkenden Druckkräfte sich gegenseitig in hohem Maße aufheben, insofern, als die einen Druckkräfte den Körper zusammenzudrücken, während die anderen Druckkräfte diesen aufzuweiten versuchen.
Eine weitere Möglichkeit zum Ausgleich von angreifenqen Kräften bietet die erfindungsgemäße Gestaltung der Schubdüse insofern, als durch gezielte Dimensionierung der entsprechenden Bereiche des Ringgehäuses die Beibehaltung der Kontur der Schubdüse erreicht werden kann, dadurch, daß die aus den auf das Ringgehäuse lastenden Druckkräften resultierenden Druckspannungen sich mit den Spannungen ausgleichen, die durch die Dehnungen des Ringgehäuses infolge Erwärmung während des Betriebes hervorgerufen werden. Dabei tritt das Phänomen auf, daß die in den radial innenliegenden Ringwänden auftretenden Wärmedehnungen versuchen, diese Ringwände zu strecken, wodurch der Ringkeil radial nach auswärts gebogen werden würde, während die auf die vordere, radial äußere Ringwand lastenden Druckkräfte diese radial nach innen zu drücken versuchen, wobei sich beide Kräfte, die erstgenannten Wärmedehnungen und die Druckbelastung, gegenseitig aufheben.
In Ausgestaltung der Erfindung wird zur Erhöhung des Widerstandsmomentes des vorderen Bereiches des Schubdüsenkörpers vorgeschlagen, die vordere, radial äußere Ringwand nach vorne hin gewölbt auszubilden. Da dieser Bereich gegenüber den angreifenden Druckkräften wie eine bogenförmige Staumauer wirkt, ist es möglich diese Ringwand mit geringerer Wandstärke auszubilden, so daß hier zusätzlich Baugewicht gespart werden kann.
Eine Möglichkeit, einet ftemuagléidW SPS SdidxSbew't herkeizuführen oder zumindest diese Wirksamkeit d;ir auf diesen liegenden Belastung zu vermindern, besteht nach einem weiteren Merkmal der Erfindung darin, den Innenraum des Ringgehäuses unter Uberdruck (Gasdruck) zu setzen, der die äußeren Drücke größtenteils kompensiert und die durch die thermische Belastung hervorgerufene Verminderung der Materialfestigkeit ausgleicht.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung dargestellt. Es zeigen Fig. 1 einen Längsschnitt durch den Bereich der Schubdüse eines Feststoffraketentriebwerks und die Fig. 2 und 3 Varianten zu der Ausführung nach Fig. 1.
Das Triebwerks- bzw. Brennkammergehäuse 1 ist zylindrisch ausgebildet und nimmt in seinem mittleren Bereich die Treibstoff ladung 2, im vorliegenden Fall ein Innenbrenner, auf. Innerhalb des hinteren Teiles des Triebwerksgehäuses 1 ist die Schubdüse als eigenes Bauteil eingesetzt. Dabei bildet der Schubdüsenkörper ein hohles, in Triebwerkslängsrichtung sich erstreckendes Ringgehäuse 3, das im Querschnitt ähnlich einem verschobenen Parallelogramm ausgeführt ist. Dessen kürzere vordere, radial äußere Seite bzw. Ringwand 4 und dessen kürzere, radial innere Seite bzw. Ringwand 5 ragen#keilförmig in die Brennkammer hinein, wobei die Ringwand 5 zur Anordnung eines die Kontur des Düsenhalses bildenden Ringes 6 dient. Die längere hintere, radial äußere Seite bzw. Rinqwand 7 ist zylindrisch und an dem hier ebenfalls zylindrischen Triebwerksgehäuse 1 lösbar oder unlösbar, im vorliegenden Fall durch mehrere Reihen von Schrauben- oder Nietverbindungen 8, befestigt. Die längere hintere, radial innere Seite bzw. Ringwand . 9 bildet den hinteren divergenten Schubdüsenbereich.
Mit Hilfe der Schrauben- oder Nietverbindungen 8 werden gleichzeitig Stabilisierungsflügel 10 befestigt, so daß ein überaus steifer Festigkeitsverband entsteht.
Gemäß Fig. 2 ist das die Schubdüse bildende Ringgehäuse 3 ohne Durchbrechungen ausgeführt und sein Innenraum 11 steht unter Überdruck, wodurch den auf das Ringgehäuse 3 lastenden äußeren Druckkräften engegengewirkt wird bzw. letztere werden im wesentlichen kompensiert.
Die Verbindung des Rinqcrehäuses 3 und der Stabilisierungsflügel 10 erfolgt hier z.B. durch Schweißen.
Wie aus Fig. 3 hervorgeht, ist die vordere, radial äußere Ringwand 14 konvex, also nach vorne hin gewölbt ausgebildet.
Die vorne keilförmige Gestaltung des Ringgehäuses 3 erlaubt eine zusätzliche Unterbringung ,()n Treibstoffmasse im Bereich 12 um diesen Ringteil 4,5 bzw. 1-4,5 herum.
Die vordere, radial äußere Ringwand 4 bzw. 14 sowie die hintere, radial innere Ringwand 9 sind jeweils mit einer Wärmeisolationsschicht 13 versehen.
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Claims

Schubdüse für Feststoff-Raketentriebwerke Patentansprüche Schubdüse für Feststoff-Raketentriebwerke, die innerhalb der Triebwerksstruktur eingebaut ist, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Schubdüse als ein hohles, in Triebwerkslängsrichtung gestrecktes Ringgehäuse (3) ausgebildet ist, das im Querschnitt ähnlich einem verschobenen Parallelogramm ausgeführt ist, dessen kürzere vordere, radial äußere Seite bzw.

Ringwand (4) und dessen kürzere vordere, radial innere Seite bzw. Ringwand (5) zusammen keilförmig in die Brennkammer hineinragen, wobei die Ringwand (5) zur Anordnung eines die Kontur des Düsenhalses bildenden, thermisch widerstandsfähigen massiven Ringes (6) dient, während die hintere, radial äußere Ringwand (7) insbesondere zylindrisch und mit der Triebwerksstruktur (1) lösbar oder unlösbar verbunden ist, und ferner die hintere, radial innere Ringwand (9) den hinteren Teil des divergenten Schubdüsenbereiches bildet.
2. Schubdüse nach Anspruch 1, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß das Ringgehäuse (3) aus zwei etwa gleich großen Bauteilen zusammengesetzt ist, aus einem radial äußeren Bauteil, das aus der vorderen, radial äußeren Ringwand (4) sowie aus der hinteren, radial äußeren Ringwand (7) besteht, und aus einem radial inneren Bauteil, das aus der vorderen, radial inneren Ringwand (5) sowie aus der hinteren, radial inneren Ringwand (9) besteht.
3. Schubdüse nach Anspruch 1 und 2, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß die vordere, radial äußere Ringwand (14) konvex bzw. nach vorne hin gewölbt ausgebildet ist (Fig. 3) und daß sie mit einer Wärmeisolierschicht (13) versehen ist.
4. Schubdüse nach Anspruch 1 bis 3, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß der Innenraum (11) des Ringgehäuses (3) unter Überdruck steht.
5. Schubdüse nach Anspruch 1 bis 4, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß der Innenraum (11) des Ringgehäuses (3) mit einem Kühlmedium gefüllt ist.
6.. Schubdüse nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß zur Beibehaltung der Kontur der Schubdüse das Ringgehäuse (3) konstruktiv so bemessen ist, daß die aus den auf das Ringgehäuse (3) lastenden Druckkräften resultierenden Druckspannungen sich mit den Spannungen ausgleichen, die durch die Dehnungen des Ringgehäuses (3) infolge Erwärmung während des Betriebes hervorgerufen werden.