DE3520052A1

DE3520052A1 - Fluiddaempfer fuer einen fluidbehaelter

Info

Publication number: DE3520052A1
Application number: DE19853520052
Authority: DE
Inventors: Yi Mason Woodland Hills Calif. Chang; James Robert Chatsworth Calif. Fenwick
Original assignee: Rockwell International Corp
Current assignee: Boeing North American Inc
Priority date: 1984-06-11
Filing date: 1985-06-04
Publication date: 1985-12-19
Also published as: US4589526A; JPS619400A; FR2565564A1; FR2565564B1

Description

.1

1A-5060
83R45

Fluiddämpfer für einen Fluidbehälter

Die Erfindung befasst sich mit einer Vorrichtung zum Steuern der Bewegung eines Fluides relativ zum Körper eines Behälters, in dem es aufgenommen ist,und betrifft insbesondere einen steuerbaren Fluiddämpfer für einen Fluidbehälter eines Weltraumsatelliten.

Behälter für Positivtreibstoff und Sauerstoffträger, wie sie beispielsweise bei Weltraumsatelliten verwandt werden, sind mit ernsten konstruktiven und betrieblichen Schwierigkeiten verbunden, so dass der gegenwärtige Trend dahin geht, freie Oberflächentanks oder -behälter zu verwenden.

Freie Oberflächentanks sind jedoch mit zwei sehr bezeichnenden Schwierigkeiten verbunden. Die erste Schwierigkeit besteht in der Druckgasströmung in die Treibstoffeinspeisungsleitung. Diese Schwierigkeit kann offensichtlich durch die Verwendung eines Treibstoffbeschaffungssystems mit Oberflächenspannungsschirmen unter Kontrolle gebracht werden. Die zweite _# möglicherweise ernstere Schwierigkeit besteht in dem Verlust der Kontrolle über die Flüssigkeitsmasse und in der Wechselwirkung des Fluid-, Konstruktionsund Raketenstufensteuersystems.

Während eines Stufenmanövers im Weltraum wird das Fluid durch Druckkräfte senkrecht zur Tank- oder Behälterfläche und gleichfalls durch viskose Scherkräfte aufgrund der Relativbewegung zwischen dem Fluid und der Behälterwand in Bewegung gesetzt. Nach dem Stufenmanöver bleibt das Fluid in Bewegung, bis seine Bewegung relativ zur Behälterwand gedämpft werden kann. Die Fluidbewegung ist primär eine Drehbewegung, die an der Innenfläche entlang verläuft,durch Schirme hindurch zirkuliert und quer über den Behälter geht. Ohne Dämpfung liegen weiterhin Kräfte am Behälter aufgrund der gekrümmten Wege des Fluides. Darüberhinaus wirken Viskositätskräfte aufgrund der Relativbewegung zwischen dem Fluid und dem Behälter auf den Behälter sowie auf das Fluid. Dem resultierenden Einfluss aus den Drehmomenten und Kräften auf die Stufenorientierung muss durch Drehmomente entgegengewirkt werden, die auf einen Befehl durch die Steuerung erzeugt werden.

Konstruktionen mit herkömmlichen Leitplatten erhöhen die Kopplung zwischen dem Fluid und dem Behälter, so daß die Abnahmegeschwindigkeit des Fluidmomentes erhöht ist. Die Kopplung ist jedoch auch während eines vorübergehenden Manövers grosser, so dass mehr Fluid in die Bewegung der Stufe einbezogen ist. Direkt nach dem Manöver werden dann

die Restdrehmomente des Fluides am Behälter bei einem mit Leitplatten versehenen Behälter grosser als bei einem Behälter ohne Leitplatten sein. Aufgrund des Unterschiedes der Abnahraegeschwindigkeit gibt es einen Zeitpunkten dem die Drehmomente für beide Behälterarten etwa gleich sind. Für eine längere Zeit wird der mit Leitplatten versehene Behälter niedrigere Drehmomente zeigen.

Durch die Erfindung soll eine freie Drehung des Fluides in einem Behälter während.einer Anfangsbewegung des Behälters möglich sein und dennoch die Fluidbewegung schnell gedämpft werden, wenn die Behälterbewegung beendet ist.

Durch die Erfindung soll insbesondere ein Behälterinnendämpf er geschaffen werden, der sich frei im Behälter drehen kann, dessen Lage relativ zum Behälter jedoch dann festgelegt werden kann, wenn es erwünscht ist.

Gegenstand der Erfindung ist ein steuerbarer Fluiddämpfer zum Dämpfen der relativen Drehbewegung eines Fluides in einem Aufnahmebehälter. Der erfindungsgemässe Dämpfer umfasst vorzugsweise einen Kugelkörper, der aus Zellen gebildet ist, die vorzugsweise hexagonal sind,und der in einem Fluidbehälter angeordnet wird. Die Zellen sind so ausgerichtet, dass ihre offenen Grundseiten längs der Radien des Kugelkörpers zeigen, und gleichfalls mit Löchern in den radial verlaufenden Seiten versehen, damit sich das Fluid im Behälter durch den Kugelkörper bewegen kann. Der Kugelkörper kann auch aus einem festen Material mit einer Vielzahl von Bohrungen bestehen, die durch den Kugelkörper sowohl in radiale als auch in nicht radiale Richtungen gebohrt sind, um eine Konstruktion zu bilden, die ähnlich der eines Kugelkörpers aus hexagonalen Zellen ist, wie es im Vorhergehenden beschrieben wurde.

Die Aussenfläche des Dämpferkugelkörpers liegt an einigen Bereichen neben der inneren kreisförmigen Fläche des Behälters, da die Behälter entweder kugelförmig oder zylindrisch geformt sind. Bremskissen, von denen eines beweglich ist und wenigstens eines festliegt, sind in der Behälterwand so angeordnet, dass die Aussenflachen der festliegenden Kissen in einer Ebene mit der Innenseitenfläche der Behälterwand liegen. Der Dämpferkugelkörper kann sich somit frei drehen. Eines der Bremskissen kann jedoch heruntergedrückt werden, so dass es gegen den Rugelkörper drückt. Der Kugelkörper wird dann in einen Kontakt mit den drei Bremskissen gedrückt, die schnell seine Drehung beenden.

Die Beendigung der Drehung des Kugelkörpers dämpft schnell die Drehung des Fluides im Inneren des Behälters. Ein derartiger Fluiddämpfer arbeitet somit optimal während des Überganges, wobei er während der Bewegung des Behälters ein Zeitintervall mit kleinstem Drehmoment und dann, wenn die Behälterbewegung anhält, eine maximale Abnahmegeschwindigkeit der Fluidbewegung bietet.

Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 in einer teilweise gebrochenen schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 2 in einer schematischen Darstellung Wabenzellen, die den Dämpferkugelkörper gemäss der Erfindung bilden,

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Lage des Dämpferkugelkörpers in einem zylindrischen Behälter, und

— © —

■ θ-

Fig. 4 eine schematische Querschnittsansicht eines Dämpfers in Form eines Zylinders.

In Fig. 1 ist ein Fluidbehälter oder Tank 10 dargestellt. Die Wand 12 des Behälters 10 ist im wesentlichen kugelförmig. Ein Dämpfer oder ein Prallkörper 14 in Form einer Hohlkugel ist im inneren neben der Innenfläche der Wand 12 des Behälters 10 angeordnet und kann sich frei in jede Richtung drehen.

Mehrere Bremskissen 16 und 18 sind an verschiedenen Stellen in Aussparungen in der Behälterwand 12 so angeordnet, dass die unteren gekrümmten Flächen der Kissen zu der gekrümmten Innenfläche der Wand 12 ausgerichtet, d.h. in einer Ebene damit oder in einer Richtung damit verlaufen. Alle Bremskissen 18 sind bis auf ein Bremkissen 16, das radial nach innen bewegt werden kann, um einen Druckkontakt mit der Aussenflache des Dämpfers 14 auszuüben, an ihrer Stelle festgelegt.

Es können verschiedene Einrichtungen verwandt werden, um das bewegliche Kissen 16 zu betreiben. Beispielsweise kann ein piezoelektrischer Motor 20 mit einer Gruppe von gestapelten piezoelektrischen Plättchen über eine Steuereinrichtung 22 versorgt werden, über die eine Aktivierungsspannung an den Motor 20 gelegt werden kann, wenn das erwünscht ist. Andere Betätigungseinrichtungen können vom hydraulischen oder pneumatischen Typ sein.

Der kugelförmige Dämpfer 14 umfasst vorzugsweise eine Vielzahl von sechsseitigen Zellen, die in Form einer Honigwabenkonstruktion aneinander angebracht sind. Zwei dieser Zellen 24 sind in Fig. 2 dargestellt. Die Zellen 24 sind mit ihren Längsachsen in einer Linie mit den Radien des Dämpferkugelkörpers angeordnet, wobei die äusseren und inneren radialen

Λ-

Enden (Grundflächen) jeder Zelle 24 offen sind. Die offenen Enden und die Löcher ermöglichen es dem Fluid im Behälter 10 durch den Dämpfer 14 hindurchzugehen, obwohl die Löcher 26 der Strömung einen Widerstand entgegensetzen.

Die hexagonalen Zellen und die Bremskissen können aus Materialien bestehen, die chemisch nicht mit dem Fluid im Behälter reagieren. Beispielsweise können die Dämpferzellen aus Ti oder Al und die Bremskissen aus Asbest bestehen.

Wenn der Behälter 10 in einem Weltraumsatelliten angeordnet ist, wird beispielsweise am Anfang eines Satellitenmanovers der Dämpfer 14 der Bewegung des Fluides im Behälter 10 keinen Widerstand entgegensetzen, sondern sich damit drehen. Wenn jedoch das Manöver beendet wird, wird die Steuervorrichtung 22 in Betrieb gesetzt und liegt ein Signal am Motor 20 des beweglichen Bremskissens 16. Der Motor 20 bewegt das Kissen 16 in einen Kontakt mit der Aussenflache des Dämpfers 14, wodurch die anderen Bereiche der Aussenfläche des Dämpfers 14 in einen Kontakt mit den festen Bremkissen 18 gedrückt werden und die Drehung des Dämpferkugelkörpers angehalten wird. Der Widerstand des Dämpfers 14 gegenüber der durch die Löcher 26 im Dämpfer 14 gehenden Fluidströmung unterbricht schnell die Drehbewegung des Fluides.

Es sei darauf hingewiesen, dass nur ein festes Bremkissen 18 benötigt wird, wenn das feste Kissen 18 dem beweglichen Kissen 16 direkt gegenüberliegt. Im allgemeinen ist es jedoch bevorzugt, zwei oder drei feste Kissen im gleichen Abstand voneinander zu verwenden, die auf der Halbkugel angeordnet sind, die der Halbkugel gegenüberliegt, an der sich das bewegliche Kissen 16 befindet. Die Anordnung der Kissen liegt im Bereich der Fähigkeiten eines Mechanikers und muss nicht weiter beschrieben werden.

Fig. 3 zeigt die Möglichkeit der Anordnung eines kugelförmigen Fluiddämpfers 14 im Inneren eines zylindrischen Behälters 10. Um den Dämpfer 14 daran zu hindern, im Inneren des Zylinders vor- und zurückzurollen, sind bogenförmige Anschläge 30 an der Innenfläche der Behälterwand an solchen Stellen angeordnet, dass der Dämpfer 14 in seiner gewünschten Lage gehalten wird.

Obwohl der Fluiddämpfer im Vorhergehenden als kugelförmig beschrieben wurde, kann er auch zylindrisch geformt sein. Der derartiger zylindrisch geformter Dämpfer 14 ist in Fig. 4 im Inneren eines zylindrischen Fluidbehälters 10 dargestellt. In diesem Fall dreht sich der Dämpfer 14 nur in der Rollrichtung bezüglich der Längsachse des Behälters 10, d.h. quer zur Längsachse des zylindrischen Abschnittes des Behälters. Das ist zweckmässig, um eine Rollbewegung des Fluides anzuhalten, wenn sich der Behälter 10 beispielsweise an Bord eines Schiffes befindet. Zwei bewegliche Bremskissen 18 können an einer Seite des Behälters 10 angebracht sein, während zwei feste Bremskissen diametral den beweglichen Kissen gegenüber vorgesehen sein können.

Wiederum ist die Wand des Hohlkörpers des Fluiddämpfers vorzugsweise in Form einer Honigwabenkonstruktion aus hexagonalen Zellen ausgebildet, deren offene Grundenden in die Richtung der gekrümmten Enden des zylindrischen Behälters 10 gerichtet sind. D.h., dass eine Linie oder Achse durch die Mitte der Grundenden jeder Zelle parallel zur Längsachse des zylindrischen Querschnittes des Behälters 10 verläuft. Die Seiten der Zellen sind aneinander angebracht,und es sind Bohrungen durch die Zellenseiten hindurchgebohrt. Das Material, das die Grundenden der Zellen bildet, ist gleichfalls immer dann miteinander verbunden, wenn die Zellen in Längsrichtung verlaufen.

- LeeVsfeite -

Claims

Patentansprüche

1. Fluiddämpfer für einen Fluidbehälter mit einem kreisförmigen Wandabschnitt, gekennzeichnet durch einen Hohlkugelkörper, dessen Wandaussenflache neben der Innenfläche des kreisförmigen Behälterwandabschnittes liegt, wobei die Wand des Kugelkörpers mit Löchern versehen ist, die dahindurch sowohl in radialer als auch in nicht radialer Richtung führen, so dass das Fluid durch den Kugelkörper hindurchgehen kann, und wobei der Kugelkörper sich frei in irgendeine Richtung innerhalb des kreisförmigen Abschnittes drehen kann,und durch eine Bremseinrichtung zum Anhalten der Drehbewegung des Kugelkörpers, wenn ein solches Anhalten der Bewegung erwünscht ist.

2. Dämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

die Wand des Kugelkörpers aus einer Vielzahl von Zellen ge- "* bildet ist, die aneinander angebracht sind und Seiten haben, I die in radialer Richtung des Kugelkörpers verlaufen, wobei die radialen Enden der Zellen offen sind und die Seiten mit hindurchgehenden Löchern versehen sind.

3. Dämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremseinrichtung eine Vielzahl von Bremskissen umfasst, die an ihrer Stelle im kreisförmigen Behälterwandabschnitt angeordnet sind, wobei die Bremsflächen der Kissen in einer Ebene mit der Innenfläche der Behälterwand verlaufen und eines der Bremskissen für eine Bewegung radial nach innen steuerbar ist, so dass ein Druckkontakt durch seine Bremsfläche mit der Aussenfläche des Kugelkörpers hergestellt werden kann.

.a·

4. Dämpfer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen hexagonal geformt sind, wobei die Grundflächen der hexagonalen Zellen offen sind.

5. Dämpfer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremseinrichtung eine Vielzahl von Bremskissen umfasst, die an ihrer Stelle im kreisförmigen Behälterwandabschnitt angeordnet sind, wobei die Bremsflächen der Kissen Coextensiv mit der Innenfläche der Behälterwand verlaufen und eines der Bremskissen für eine Bewegung radial nach innen steuerbar ist, so dass ein Druckkontakt durch seine Bremsfläche mit der Aussenfläche des Kugelkörpers hergestellt werden kann.

6. Fluiddämpfer für einen Fluidbehälter mit einem kreisförmigen Wandabschnitt, gekennzeichnet durch einen Hohlkörper, der dem kreisförmigen Behälterwandabschnitt komplementär geformt ist und neben dem kreisförmigen Be-

t hälterwandabschnitt liegt, wobei die Wand des Hohlkörpers

mit hindurchgehenden Löchern ausgebildet ist und sich der Hohlkörper frei quer zu einer Achse des Behälters drehen kann, und durch eine Bremseinrichtung zum Anhalten der Drehbewegung des Körpers, wenn ein derartiges Anhalten der Bewegung erwünscht ist.

7. Fluiddämpfer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter einen zylindrischen Abschnitt aufweist und der Hohlkörper zylindrisch geformt und im zylindrischen Behälterabschnitt angeordnet ist, wobei sich der Hohlkörper frei quer zur Längsachse des zylindrischen Abschnittes des Behälters drehen kann.

8. Fluiddämpfer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand des Hohlkörpers aus einer Vielzahl von Zellen gebildet ist, die aneinander angebracht sind.

9. Fluiddämpfer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen hexagonal geformt sind, wobei die
Grundenden offen sind und die Achsen durch die Grundenden der Zellen parallel zur Längsachse des zylindrischen Behälterabschnittes verlaufen.