DE69625081T2

DE69625081T2 - Ausfahrbare raketentriebwerkdüse

Info

Publication number: DE69625081T2
Application number: DE69625081T
Authority: DE
Inventors: Alain Henault; Bruno Perrier; Jean-Luc Sans
Original assignee: Societe Nationale dEtude et de Construction de Moteurs dAviation SNECMA
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1995-12-28
Filing date: 1996-12-27
Publication date: 2003-10-30
Anticipated expiration: 2016-12-28
Also published as: FR2743110A1; UA37286C2; WO1997024521A1; EP0870105B1; DE69625081D1; US6205772B1; EP0870105A1; FR2743110B1; JP2000502773A; JP4070238B2

Description

Die Erfindung betrifft ein ausschwenkbares Triebwerk-Auslaufteil.
Der Schub eines Triebwerks hängt ab von dem Durchsatz des ausgestoßenen Gases und von der Ausstoßgeschwindigkeit. Um letzteren Parameter zu optimieren, ist es notwendig, ein Auslaufteil mit einem großen Austrittsdurchmesser zur Verfügung zu haben, insbesondere bei einer zweiten oder dritten Stufe eines mehrstufigen Antriebs. Dies führt zu langen Auslaufteilen, was häufig mit dem verfügbaren Platz kaum vereinbar ist. Eine Lösung besteht darin, ein ausschwenkbares Auslaufteil zu konstruieren, welches im Anfangszustand eine verkürzte Länge besitzt, sich aber durch Platzieren von einem oder mehreren Auslaufringen verlängern lässt.
Ausschwenkbare Auslaufteile werden auch dazu eingesetzt, den Auslassquerschnitt von Triebwerkdüsen an den Umgebungsdruck anzupassen, der ausgehend von geringen Höhen in der Nähe des Erdbodens bis hin zu größeren Höhen abnimmt so dass stets eine möglichst starke Annäherung an den optimalen Vorschub ungeachtet der sich ändernden Höhe erreicht wird.
In jedem Fall muss das Ausschwenken oder Ausfahren des ausschwenkbaren Teils des Auslaufteils in automatischer Weise vonstatten gehen, außerdem zuverlässig bei minimalem Energieaufwand.
Es wurden verschiedene Arten von Mechanismen zum Ausfahren der ausschwenkbaren Auslaufteile vorgeschlagen, insbesondere Mechanismen unter Einsatz von Seilsystemen, Rollengewindespindeln und Kugelgewindespindeln mit ausrollbaren Trägern, oder Systeme mit einer Membran. Diese Mechanismen sind aber insgesamt relativ sperrig und bringen eine Vergrößerung der nicht nutzbaren Last mit sich, insbesondere im Fall von Auslaufteilen mit großem Durchmesser.
Ein Ausschwenkmechanismus, der diese Unzulänglichkeiten nicht aufweist, wurde in der US-A-5 282 576 der Anmelderin vorgeschlagen. Das Auslaufteil enthält einen ersten Abschnitt, dessen stromaufwärtiges Ende am Boden des Triebwerks angebunden ist, und einen zweiten Abschnitt in Form eines Rings, der beweglich ist zwischen einer zurückgezogenen Stellung, in der er den ersten Abschnitt des Auslaufteils umgibt, und einer ausgeschwenkten Stellung, in der er an das stromabwärtige Ende des ersten Abschnitts anschließt, um diesen zu verlängern. Der Ausschwenkmechanismus enthält Gelenkarme, deren eines Ende an den Ring des Auslaufteils angebunden ist, und eine Betätigungseinrichtung für die Arme, die ein Verlagern des Rings des Auslaufteils aus dessen zurückgezogener Stellung in die ausgeschwenkte Stellung ermöglicht.
Die FR 2 622 931 beschreibt einen Ausschwenkmechanismus mit drei Gelenkarmen, deren Bewegungen synchronisiert sind, um den Auslaufring exakt zu führen.
Ein Sperren des Auslaufrings in der ausgefahrenen Stellung ist unerlässlich, um seine Rückkehr in die zurückgezogene Stellung unter dem Druck des auf ihn auftreffenden Strahls zu vermeiden. In der US-A-5 282 576 wird dieses Sperren erreicht durch ein "Hängenlassen" der Arme, damit die Betätigungseinrichtung nach dem Ausfahren nicht andauernd aktiviert ist, wobei der Betrieb des Ausfahrmechanismus reversibel ist.
In der FR 2 398 889 ermöglichen am stromabwärtigen Ende des an dem Auslaufteil fixierten ersten Abschnitts und an dem stromaufwärtigen Ende des Rings des Auslaufteils verteilt angeordnete Mittel zur Verriegelung des Rings in der ausgefahrenen oder ausgeschwenkten Stellung, ohne dass der erste Abschnitt des Auslaufteils verlängert wird.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines ausschwenkbaren Auslaufteils der aus der US-A-5 282 576 bekannten Art, bei dem die Verriegelung des Rings in der ausgefahrenen Stellung in zuverlässiger Weise erfolgt, ohne dass dazu eine spezielle Geometrie der Arme erforderlich wäre, wobei der Ausfahrmechanismus nicht umkehrbar ausgebildet ist.
Erreicht wird dieses Ziel dadurch, dass
- eine Einrichtung in verteilter Weise am Umfang des stromabwärtigen Endes des ersten Auslaufteil-Abschnitts und an dem Umfang des stromaufwärtigen Endes des Auslaufteil-Rings vorgesehen ist, um den Auslaufteil-Ring an dem stromabwärtigen Ende des ersten Auslaufteil-Abschnitts zu verriegeln, wenn sich der Auslaufteil-Ring in der ausgefahrenen Stellung befindet, und
- der Ausschwenkmechanismus mindestens vier Arme aufweist, die zusammen mit dem Ring des Auslaufteils eine statisch überbestimmte Anordnung bilden, derart, dass der Ring sich ohne wesentliche Verformung derart verlagern lässt dass er in die gewünschte Stellung gelangt, um sich automatisch und vollständig an dem ersten Auslaufteil-Abschnitt zu verriegeln, wenn er ausgefahren ist.
Das erfindungsgemäße ausfahrbare Auslaufteil weist also die Besonderheit auf, dass es sich um eine Kombination aus automatischer Verriegelung des Auslaufteil-Rings an dem ersten Abschnitt des Auslaufteils - dank der an dem Umfang verteilt angeordneten Verriegelungsmittel - und der statisch überbestimmten (hyperstatischen) beweglichen Anordnung handelt, die es ermöglicht, den Auslaufteil-Ring präzise in die ausgefahrene exakte Stellung zu verlagern, die erforderlich ist, um eine automatische Verriegelung zu erreichen.
In vorteilhafter Weise enthält die Verriegelungseinrichtung mehrere flexible Zungen, die mit einem oder mit mehreren entsprechenden Ausnehmungen derart zusammenwirken, dass sie in die Ausnehmung bzw. in die Ausnehmungen einrasten, wenn der Auslaufteil-Ring in die ausgefahrene Stellung gelangt.
Weiterhin sind lösbare Sperrmittel vorgesehen, um den Auslaufteil-Ring in der zurückgezogenen Stellung zu sperren.
Die Erfindung lässt sich besser durch die Lektüre der folgenden Beschreibung verstehen, die sich beispielhaft und ohne Beschränkung auf die beigefügten Zeichnungen bezieht. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Halb-Schnittansicht, die ein ausfahrbares Auslaufteil nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt, wobei der Ring des Auslaufteils sich in einer zurückgezogenen Stellung befindet;
Fig. 2 eine Halb-Schnittansicht ähnlich wie Fig. 1, bei der sich der Rings des Auslaufteils jedoch in einer ausgefahrenen Stellung befindet;
Fig. 3 eine Draufsicht auf einen Arm des Ausschwenkmechanismus nach den Fig. 1 und 2;
Fig. 4 eine Detailansicht, welche die Verriegelungseinrichtung für den Ring des Auslaufteils des ersten Auslaufteil-Abschnitts des in den Fig. 1 und 2 gezeigten ausschwenkbaren Auslaufteils unmittelbar vor der Verriegelung veranschaulicht;
Fig. 5 eine Detailansicht ähnlich wie Fig. 4, jedoch nach dem Verriegeln;
Fig. 6 eine schematische Halb-Schnittansicht, die ein ausschwenkbares Auslaufteil in einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt, wobei sich der Ring des Auslaufteils in einer zurückgezogenen Stellung befindet; und
Fig. 7 eine Halb-Schnittansicht ähnlich der Fig. 1, wobei sich jedoch der Ring des Auslaufteils in einer ausgefahrenen Stellung befindet.
In den Fig. 1 und 2 bezeichnet Bezugszeichen 10 ein Triebwerkgehäuse, beispielsweise eines Feststoff-Triebwerks, von dem die Verbrennungskammer 12 sich durch den Boden 14 des Triebwerks mittels eines Düsenhalses 16 öffnet, der durch einen ersten Abschnitt 20 eines ausschwenkbaren Auslaufteils verlängert ist.
Das stromaufwärtige Ende des Auslaufteil-Abschnitts 20 - bezogen auf die Ausstoßrichtung des Gasstroms - und der Düsenhals 16 sind an den Boden 14 des Triebwerks über einen Konus angebunden, wenn die Düse ortsfest ist, oder mittels eines flexiblen Anschlags 18, wenn die Düse wie im dargestellten Fall gelenkig ist. Beispielsweise kann der Anschlag sphärisch ausgebildet sein und kann in üblicher Weise durch abwechselnde Metallschichten oder Verbundmaterialschichten mit daran angebondetem Elastomer gebildet sein.
Das Gehäuse und der Boden des Triebwerks sind ebenso wie der Düsenhalb und der Abschnitt 20 des Auslaufteils innen normalerweise mit einem Wärmeschutz-Ablationsmaterial überzogen.
Das ausschwenkbare Auslaufteil enthält außerdem einen Auslaufteil-Ring 22, der in seiner zurückgezogenen Stellung (Fig. 1) den Auslaufteil-Abschnitt 20 umfasst, wobei er koaxial zu diesem angeordnet ist, während das Auslaufteil in seiner ausgefahrenen oder ausgeschwenkten Stellung (Fig. 2) an das stromabwärtige Ende des Auslaufteil-Abschnitts 20 anschließt und diesen in der Weise verlängert, dass ein Auslaufteil mit einem vergrößerten Ausgangsdurchmesser gebildet wird.
Das Halten des Auslaufteil-Rings 22 in seiner zurückgezogenen Stellung und seine Führung in Richtung auf die ausgefahrene Stellung werden erreicht mit Hilfe von vier Gelenkarmen 30, die regelmäßig über den Umfang des ersten Auslaufteil-Abschnitts 20 verteilt angeordnet sind.
Jeder Arm (Fig. 1, 2 und 3) enthält ein erstes Segment 32, welches an einem ersten Ende an einer Lasche 36 angelenkt ist, die ihrerseits an der Außenwand des ersten Auslaufteil-Abschnitts 20 (an der Achse 33) fixiert ist, und das mit einem zweiten Ende an einem ersten Ende eines zweiten Segments 34 (an der Achse 35) angelenkt ist. An seinem zweiten Ende ist das Segment 34 an einer Lasche 36 angelenkt, die ihrerseits an der Außenwand des Auslaufteil- Rings (an der Achse 37) fixiert ist. Jedes Segment 32 und 34 des Arms wird durch zwei Flanken 32a und 32b bzw. 34a und 34b gebildet, die parallel zueinander verlaufen. Die Symmetrieebene P (Fig. 3) jedes Arms enthält die Achse A des Auslaufteils, wobei die Anlenkachsen 33, 35 und 37 an den Enden der Segmente 32 und 34 rechtwinklig zu der Ebene P und der Achse A verläuft. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, enthält eine Sperrvorrichtung zum Sperren des Arms in der zurückgezogenen Stellung einen Anschlag 40, der einstückig mit dem Segment 32 ausgebildet ist und mit einem Vorsprung 42 ausgestattet ist, der in einer Ausnehmung 39 der Lasche 38 eindringt. Das Lösen des Vorsprungs 42 aus der Ausnehmung 39 mit dem Zweck, den Arm 30 freizusetzen, lässt sich mit pneumatischen Mitteln erreichen, beispielsweise dadurch, dass man den Vorsprung mit dem Kolben eines pneumatischen Betätigers verbindet, oder mit Hilfe einer pyrotechnischen Einrichtung. Man muss nicht an jedem Arm 30 eine Sperrvorrichtung vorsehen, die Sperrung eines Arms allein kann ausreichen, um die Anordnung insgesamt in der zurückgezogenen Stellung zu halten.
Sobald der Arm 30 freigesetzt ist, kann er unter Verschwenkung der Segmente 32 und 34 um deren Anlenkachsen ausgefahren werden. Während des Ausschwenkens des Arms bleibt die Lage der Symmetrieebene P unverändert.
In dem in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Beispiel wird das Ausfahren des Arms 30 mit Hilfe einer Torsionsfeder 44 erreicht, die an der Anlenkachse 33 angebracht ist. Die Feder 44 treibt eine geriffelte Ausgangswelle 45 an, die mit dem Segment 32 in Eingriff steht.
Um das Ausschwenken des Auslaufteil-Rings 22 zu bewerkstelligen, werden die vier Arme 30 gleichzeitig durch Lösen der Vorsprünge 42 freigesetzt. Die auf diese Weise gelösten Federn 44 rufen eine gleichzeitige Drehung der Segmente des Arms 32 hervor, und damit eine gleichzeitige Verschwenkung der Arme.
Man erkennt, dass die durch die vier Arme 30 den Auslaufteil-Ring 22 gebildete Anordnung hyperstatisch, d. h. statisch überbestimmt ist, wodurch der Ring 22 sich ohne Verformung und im Wesentlichen bezüglich der Achse zentriert verlagert. Das Merkmal der statischen Überbestimmtheit der Lagerung ermöglicht also, eine präzise Führung des Auslaufteil-Rings 22 in die ausgefahrene Stellung zu garantieren, während das Fehlen eines Synchronismus der Bewegungen der Arme verhindert ist. Man erkennt, dass dieses Ergebnis auch dann erreicht werden kann, wenn man eine Torsionsfeder lediglich an einigen Armen, auch an nur einem einzigen Arm, vorsieht. Die statische Überbestimmtheit resultiert hier aus dem Umstand, dass vier Arme 30 vorhanden sind. Die Anzahl der Arme kann mehr als vier betragen, allerdings mit der Folge einer Gewichtsvergrößerung des Mechanismus, ohne allerdings einen wirklichen Vorteil zu erbringen. Bei einer Besonderheit des erfindungsgemäßen Auslaufteils sind am Umfang des stromabwärtigen Endes des Auslaufteil-Abschnitts 20 und am Umfang des stromaufwärtigen Endes des Auslaufteil-Rings 22 Mittel vorgesehen, um deren gegenseitige Verriegelung zu garantieren, wenn der Auslaufteil-Ring in die ausgefahrene Stellung gelangt.
Beim dargestellten Beispiel (Fig. 1, 2, 4 und 5) werden diese Verriegelungsmittel gebildet durch mehrere flexible Zungen 50, die am Umfang des stromabwärtigen Ende des Auslaufteil-Abschnitts 20 auf der Außenseite vorgesehen sind, und durch eine ringförmige Ausnehmung 52, die an dem stromaufwärtigen Ende des Auslaufteil-Rings 22 an dessen Innenseite ausgebildet ist.
Wenn der Auslaufteil-Ring 22 in die Nähe seiner vollständig ausgefahrenen Stellung gelangt, legt sich die Innenwand 22a des Rings 22 an die Zungen 50 an und bringt diese durch Biegung in Richtung der Auslaufteil-Achse (Fig. 4). Hierdurch bilden die Zungen 50 in ihrem freien Endbereich einen Raum 51 mit der Außenwand des Auslaufteil-Abschnitts 20.
Die Lage der Zungen 50 ist ebenso festgelegt wie die der Ausnehmung 52, damit die Zungen in der Ausnehmung 52 einrasten, sobald der Auslaufteil- Ring 22 in die ausgefahrene Stellung gelangt (Fig. 5). Die Verriegelung des Auslaufteil-Rings 22 an dem Auslaufteil-Abschnitt 20 wird auf diese Weise garantiert. Man sieht, dass die durch die statisch überbestimmte Lagerung erreichte Genauigkeit eine solche automatische Verriegelung ermöglicht. Man erkennt außerdem, dass die Ausnehmung 52 ersetzt werden kann durch eine den Zungen entsprechende Mehrzahl von Ausnehmungen.
Bei der in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Ausführungsform wird das Ausfahren der Arme durch eine oder durch mehrere Torsionsfedern erreicht. Diese Lösung ist dann geeignet, wenn das Auslaufteil vor dem Zünden des Triebwerks ausgefahren wird, wobei allerdings die von der Feder oder den Federn freigesetzte Kraft normalerweise nicht ausreicht, um den Druck des Gasstrahls zu überwinden, wenn das Ausfahren nach dem Zündvorgang erfolgt.
In den Fig. 6 und 7 ist eine Ausführungsform dargestellt, die sich für den Fall des Ausfahrens nach dem Zünden des Triebwerks eignet.
Bei der zweiten Ausführungsform tragen die Teile des ausschwenkbaren Auslaufteils, die den Teilen bei der Ausführungsform nach den Fig. 1 bis 5 entsprechen, gleiche Bezugszeichen werden nicht noch einmal beschrieben.
Wie in den Fig. 6 und 7 gezeigt ist, wird der Arm 30 mit Hilfe von mindestens einem Aktuator 60 in seiner zurückgezogenen Stellung gehalten und ausgefahren, wobei ein Zylinder 62 des Aktuators an einer Lasche 64 angelenkt ist, die ihrerseits an der Außenwand des Auslaufteil-Abschnitts 20 fixiert ist, während eine Kolbenstange 66 des Aktuators mit ihrem Ende an dem Segment 32 des Arms 30 angelenkt ist. Hier besteht keine Notwendigkeit, eine Sperrvorrichtung zum Sperren des Arms 30 in der zurückgezogenen Stellung vorzusehen.
Die Kolben-Zylinder-Anordnung 60 kann vom pneumatischen oder hydraulischen Typ sein. Man kann mit nur einer einzigen Kolben-Zylinder-Anordnung auskommen, wobei die gleichzeitige Verlagerung der anderen Arme durch die statisch überbestimmte Lagerung garantiert wird, oder man kann mehrere Arme mit einer Kolben-Zylinder-Anordnung ausstatten. Die Verriegelung des Auslaufteil-Rings 22 an dem Auslaufteil-Abschnitt 20 wird auf die an Hand der Fig. 4 und 5 beschriebene Weise erreicht.
Man kann andere Mittel zum Antreiben der Ausfahreinrichtung vorsehen, wenn das Ausfahren nach dem Zündvorgang erfolgen soll. So ist es z. B. möglich, die Torsionsfeder der Ausführungsform nach den Fig. 1 bis 3 durch einen oder mehrere Motoren zu ersetzen. Selbstverständlich ist es auch möglich, einen Antrieb durch eine Kolben-Zylinder-Anordnung oder einen Motor auch dann vorzusehen, wenn das Ausfahren oder Ausschwenken vor dem Zündvorgang erfolgt. Außerdem besteht die Möglichkeit, das Ausfahren mit pyrotechnischen Mitteln zu realisieren.
Schließlich ist ersichtlich, dass die Art und Weise der Verriegelung mit Zungen und Ausnehmung, wie sie in den Fig. 4 und 5 dargestellt ist, auch durch jedes andere bekannte Mittel ersetzt werden kann, mit dessen Hilfe eine Verriegelung oder ein Einrasten in automatischer Weise bewerkstelligt werden kann.

Claims

1. Ausschwenkbares Triebwerk-Auslaufteil, umfassend:

- einen ersten Auslaufteil-Abschnitt (20), der mit einem stromaufwärtigen Ende am Boden (14) des Triebwerks angebunden ist;

- einen zweiten Auslaufteil-Abschnitt (22) in Form eines Rings, der beweglich ist zwischen einer zurückgezogenen Stellung, in der er den ersten Auslaufteil-Abschnitt (20) umgibt, und einer ausgeschwenkten Stellung, in der er an das stromabwärtige Ende des ersten Abschnitts anschließt, um diesen zu verlängern, und

- einen Ausschwenkmechanismus mit mehreren Gelenkarmen (30), von denen ein Ende an den Ring des Auslaufteils angeschlossen ist, und von denen mindestens ein Arm mit einer Betätigungseinrichtung (44; 60) ausgestattet ist, die eine Verstellung des Auslaufteil-Rings aus dessen zurückgezogener in dessen ausgeschwenkte Stellung ermöglicht,

dadurch gekennzeichnet, dass

- eine Einrichtung (50, 52) in verteilter Weise am Umfang des stromabwärtigen Endes des ersten Auslaufteil-Abschnitts und an dem Umfang des stromaufwärtigen Endes des Auslaufteil-Rings vorgesehen ist, um den Auslaufteil-Ring (22) an dem stromabwärtigen Ende des ersten Auslaufteil-Abschnitts (20) zu verriegeln, wenn sich der Auslaufteil- Ring in der ausgeschwenkten Stellung befindet, und

- der Ausschwenkmechanismus mindestens vier Arme (30) aufweist, die zusammen mit dem Auslaufteil-Ring (22) eine überbestimmte Anordnung bilden, derart, dass der Ring sich ohne wesentliche Verformung derart verlagern lässt, dass er in die gewünschte Stellung gelangt um sich automatisch und vollständig an dem ersten Auslaufteil- Abschnitt (20) zu verriegeln, wenn er ausgeschwenkt ist.

2. Auslaufteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verriegelungseinrichtung mehrere flexible Zungen (50) aufweist, die mit einem oder mehreren entsprechenden Ausnehmungen (20) derart zusammenwirken, dass sie in die Ausnehmung bzw. Ausnehmungen (52) einrasten, wenn der Auslaufteil-Ring (22) in die ausgeschwenkte Stellung gelangt.

3. Auslaufteil nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine lösbare Sperreinrichtung vorgesehen ist, um den Auslaufteil- Ring (22) in der zurückgezogenen Stellung zu sperren.

4. Auslaufteil nach Anspruch 3, bei dem jeder Arm (30) mehrere gelenkige Segmente (32, 34) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperreinrichtung (42, 39) dazu ausgebildet ist, mindestens ein Segment eines Arms in Bezug auf ein anderes Segment desselben Arms zu fixieren.

5. Auslaufteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verlagerung der Arme (30) in die ausgeschwenkte Stellung mit Hilfe von Antrieben erfolgt, die an einem Gelenk mindestens eines Arms angebracht sind.

6. Auslaufteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebe durch eine Torsionsfeder gebildet werden.

7. Auslaufteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verlagerung der Arme (30) in die ausgeschwenkte Stellung mit Hilfe von Antrieben erfolgt, die auf ein Segment von mindestens einem Arm (30) einwirken.

8. Auslaufteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verlagerung der Arme (30) in die ausgefahrene Stellung mit Hilfe mindestens einer Schraubenspindel (60) erfolgt, die zwischen den ersten Auslaufteil-Abschnitt (20) und ein Segment des Gelenkarms (30) gekoppelt ist.