DE3026245C1 - Querschnittsveränderliche Schubdüse, insbesondere für integrierte Raketen/Staustrahl-Triebwerke von Raketen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine querschnittsveränderliche Schubdüse nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Dabei handelt es sich insbesondere um eine, zwei mög­ liche Stellungen (Minimalquerschnittsstellung und Maximal­ querschnittsstellung) aufweisende Schubdüse für integrierte Raketen/Staustrahl-Triebwerke von Raketen.

Derartige Triebwerke werden normalerweise derart betrieben, daß zunächst eine Startladung aus Raketentreib­ stoff verbrannt wird, um die Rakete auf Überschallgeschwindig­ keit zu beschleunigen, und nach dem Abbrand der Startladung arbeitet das Triebwerk als Staustrahltriebwerk.

Dabei findet während des Abbrands der Startladung und beim anschließenden Staustrahlbetrieb jeweils eine gesonderte Düse mit festem Austrittsquerschnitt Anwendung. Nach dem Abbrand der Startladung verbleibt üblicherweise der Behälter, in welcher die Startladung untergebracht war, als Brennkammer für den im Staustrahlbetrieb verbrannten Brennstoff im Trieb­ werk, während jedoch die in Verbindung mit der Startladung verwendete feste Düse ausgeworfen wird und eine weitere feste Düse in Tätigkeit tritt, die eine für den Staustrahlbetrieb mit hoher Strahlgeschwindigkeit besser geeignete Form hat.

Um eine mögliche Gefährdung eines Flugzeugs, von welchem aus die betreffende Rakete abgefeuert wird, durch die aus­ geworfene Startdüse des Raketentriebwerks zu vermeiden, ist der Einsatz einer querschnittsveränderlichen Schubdüse wünschenswert, die sowohl den Anforderungen des Start­ betriebe als auch denjenigen des Staustrahlbetriebs des Raketentriebwerks gerecht wird.

Querschnittsveränderliche Schubdüsen sind bei Gasturbinen­ triebwerken für Flugzeuge bereite bekannt, aber da diese be­ kannten Schubdüsen von Flugzeugtriebwerken während eines Fluges mehrfach zwischen verschiedenen Betriebsstellungen verstellt werden müssen, weisen sie einen ziemlich komplizierten mechanischen Aufbau auf, weshalb sie für die Anwendung bei Raketentriebwerken zu schwer und ungeeignet wären.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache Zwei-Stellungs-Düse zu schaffen, die sich für den Einsatz in Verbindung mit integrierten Raketen/Staustrahl-Triebwerken eignet.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Anordnung gelöst.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung haben die beweglichen Düsensegmente eine starre Form, die im Längsprofil der Gestalt der Innenwand des Düsenrohres entspricht und die in Umfangsrichtung so gestaltet ist, daß die Düsensegmente in der Minimalquerschnittsstellung mit ihren seitlichen Rändern aneinander anliegen.

Bei Schubdüsen, die für einen heißen Abgasstrahl vorgesehen sind, ist die Dichtungshaut vorzugsweise als keramischer Überzug der Düsensegmente ausgebildet, der zwar ausreichend spröde ist, daß er bei Bewegung der Düsen­ segmente in die Maximalquerschnittsstellung bricht, der aber auch ausreichend stabil ist, um den auftretenden Gas­ drücken und Gastemperaturen standzuhalten.

Die Verstellung der Düsensegmente zwischen ihren beiden Betriebsstellungen kann mit Hilfe von Zugfedern erfolgen, die jeweils zwischen den Düsensegmenten und dem Düsenrohr angeordnet sind, wobei eine lösbare Arretierung die Düsensegmente entgegen der Federvorspannung und entgegen den Gaskräften in der Minimalquerschnittsstellung sichert, wobei diese lösbare Arretierung ein zerstörbares Band sein kann, dessen Enden am Düsenrohr befestigt sind.

Vorzugsweise ist jedoch ein Betätigungsmechanismus vorgesehen, der zwischen den Düsensegmenten und dem Düsen­ rohr angeordnete Lenker aufweist, welche einerseits die Düsensegmente in der Minimalquerschnittsstellung halten und andererseits zum Verstellen der Düsensegmente in die Maximalquerschnittsstellung dienen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform dieses Betätigungs­ mechanismus sind Kniehebel mit zwei durch ein Kniegelenk mit­ einander verbundenen Kniehebelgliedern vorgesehen, deren freie Enden an einem Düsensegment bzw. am Düsenrohr angelenkt sind und deren Kniegelenk über eine Kuppelstange mit einem allen Düsensegmenten zugeordneten drehbaren Betätigungsring gekuppelt ist. Die Kuppelstange hält in ihrer Ruhestellung den betreffen­ den Kniehebel in einer jenseits der kritischen Streckmittel­ lage gelegenen Streckstellung, in welcher er das betreffende Düsensegment vom Düsenrohr entfernt in der Minimalquerschnitts­ stellung hält.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nach­ stehend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen mehr im einzelnen beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 das hintere Ende eines Raketengehäuses mit einer querschnittsveränderlichen Schubdüse nach der Erfindung, wobei der obere Halbschnitt die Düse in der Maximalquerschnittsstellung und der untere Halbschnitt die Düse in der Minimalquerschnittsstellung zeigt,

Fig. 2 eine Querschnittdarstellung, wobei die obere Hälfte (Schnittebene A-A in Fig. 1) die Düse in der Maximalquer­ schnittsstellung und die untere Hälfte die Düse in der Minimalquerschnitts­ stellung zeigt, und zwar im linken Viertel in der Schnittebene B-B und im rechten Viertel in der Schnittebene A-A in Fig. 1,

Fig. 3 einen Axialschnitt durch eine abge­ wandelte Düsenausführungsform, wobei wiederum der obere Halbschnitt die Düse in der Maximalquerschnittsstellung und der untere Halbschnitt die Düse in der Minimalquerschnittsstellung zeigt, und

Fig. 4 eine ausschnittweise Seitenansicht des Betätigungsmechanismus der in Fig. 3 gezeigten Düse bei weggelassenem Raketengehäuse.

In den Fig. 1 und 2 ist das hintere Ende eines Raketen­ gehäuses 10 dargestellt, in welchem eine Zwei-Stellungs- Schubdüse 12 angeordnet ist. Die Schubdüse ist in ihrer in der unteren Hälfte der Fig. 1 gezeigten Minimalquerschnitts­ stellung gebaut, die während des Startbetriebs des Raketen­ triebwerks gebraucht wird, während welchem ein fester Raketentreibstoff verbrannt wird und das Triebwerk als reines Raketentriebwerk arbeitet. Nach dem Abbrand der Starttreibstoffladung arbeitet das Triebwerk während des weiteren Flugs der Rakete als Staustrahltriebwerk, wozu die Düse in die in der oberen Hälfte der Fig. 1 gezeigte Maximalquerschnittsstellung gebracht wird.

Um die beiden für die zwei verschiedenen Betriebsarten erforderlichen Düsenstellungen nacheinander herstellen zu können, weist die Schubdüse eine Anzahl beweglicher, klappen­ artiger Düsensegmente 14 auf, die innerhalb des das hintere Ende des Raketengehäuses bildenden starren Düsenrohres 16 aus der Minimalquerschnittsstellung in die Maximalquerschnitts­ stellung bewegbar sind. Die Maximalquerschnittsstellung wird durch eine innere Wand 18 des Düsenrohres 16 festgelegt, die, wie Fig. 1 zeigt, als gesonderte, in das Düsenrohr einge­ setzte Auskleidung oder auch einteilig mit dem Düsenrohr ausgebildet sein kann.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel haben die beweglichen Düsensegmente 14 jeweils eine starre Form, die im Längsprofil 30 gestaltet ist, daß die Düsensegmente in der Maximalquerschnittsstellung an der Innenwand 18 anliegen, die aber in Umfangsrichtung so gestaltet ist, daß die einzelnen Düsensegmente in der Minimalquerschnittsstellung mit ihren Seitenrändern aneinander anliegen. Die in der Minimalquerschnittsstellung aneinander anstoßenden Seiten­ ränder der Düsensegmente 14 sind durch einen keramischen Überzug abgedichtet, der die gesamte Innenoberfläche der Düsensegmente bedecken kann und ausreichend spröde ist, daß er bei Bewegung der Düsensegmente 14 in die Maximalquer­ schnittsstellung entlang der Segmentränder bricht.

Die Düsensegmente weisen jeweils einen stromaufwärtigen Segmentabschnitt 20 auf, der dazu dient, in der Minimal­ querschnittsstellung den Abstand zwischen dem stromauf­ seitigen Ende des stromabwärtigen Hauptsegmentabschnitts 14 und der Innenwand 18 zu überdecken. Die stromaufwärtigen Segmentabschnitte 20 sind jeweils durch ein Gelenk 22 mit dem betreffenden Hauptsegmentabschnitt 14 und außerdem an ihrem stromaufseitigen Ende durch ein längsverschiebliches Gelenk 24 mit dem Düsenrohr verbunden. Die längsverschieb­ lichen Gelenke 24 laufen in nicht dargestellten Führungen der Innenwand 18, die jeweils mittig mit Bezug auf den jeweiligen Segmentabschnitt 20 angeordnet sind. In der Innenwand 18 sind Aussparungen 26 gebildet, welche die stromaufwärtigen Segmentabschnitte 20 in der Maximalquer­ schnittsstellung der Düse aufnehmen.

Um die Betätigung der Düsensegmente 14 zwecks Ver­ stellung aus der Minimalquerschnittsstellung in die Maximalquerschnittsstellung möglichst einfach zugestalten, sind zu diesem Zweck Zugfedern 30 vorgesehen, welche eine die Düsensegmente in ihre Maximalquerschnittsstellung drängende Vorspannkraft auf diese ausüben. Die Zugfedern 30 greifen jeweils einerseits am Düsenrohr 16 und andererseits an einem Lenker 28 an, der seinerseits mit seinem einen Ende an dem betreffenden Düsensegment und mit seinem anderen Ende am Düsenrohr angelenkt ist. Wenn die Umstellung der Düse aus der Minimalquerschnittsstellung in die Maximalquerschnitts­ stellung erforderlich ist, bewirken die Zugfedern 30 mit Unterstützung der in der Düse wirkenden Gaskräfte über die Lenker 28 eine Schwenkung der Düsensegmente 14 radial aus­ wärts in Anlage an die Innenwand 18.

Um die Düsensegmente 14 vor dem Abbrand der Starttreib­ stoffladung entgegen der Vorspannkraft der Federn 30 in der Minimalquerschnittsstellung zu halten, ist ein Draht oder Band 32 vorgesehen, welches die Düsensegmente 14 im Bereich der Düseneinschnürung umschließt und mit seinen freien Enden am Düsenrohr 16 befestigt ist. Der Keramiküberzug auf der Innenseite der Düsensegmente trägt auch teilweise zum Zusammenhalt der Düsensegment in der Minimalquerschnitts­ stellung bei. Nach dem Abbrand der Starttreibstoffladung wird der Draht bzw. das Band 32 mittels einer Sprengladung abge­ sprengt, so daß die in der Düse herrschenden Gaskräfte in Verbindung mit den Zugfedern 30 den keramischen Innenüber­ zug der Düsensegmente im Bereich der Segmentseitenränder aus­ brechen und die Segmente nach außen schwenken. Die strich­ punktierte Linie 34 deutet eine Zwischenstellung an, welche die Düsensegmente während ihrer Bewegung aus der Minimal­ querschnittsstellung in die Maximalquerschnittsstellung durchlaufen, und zeigt die dabei stattfindende Verschiebung und Abknickung der gelenkig an den Hauptsegmentabschnitten 14 befestigten stromaufwärtigen Segmentabschnitte 20.

Aus der oberen Hälfte der Fig. 1 geht hervor, daß die stromaufwärtigen Segmentabschnitte 20 und die Lenker 28 in der Maximalquerschnittsstellung der Düse in entsprechenden Ausnehmungen 26 bzw. 29 der Innenwand 18 liegen und daß die Hauptsegmentabschnitte 14 bündig mit der Innenwandober­ fläche sind. Da die Düsensegmente nunmehr auf einem größeren Radius als in der Minimalquerschnittsstellung liegen, sind zwischen den Seitenrändern benachbarter Segmente Zwischen­ räume vorhanden, wie in Fig. 2 sichtbar ist. Die Innenwand 18 ist daher mit entsprechenden Flächenvorsprüngen 36 versehen, welche diese Zwischenräume ausfüllen, wenn sich die Düsen­ segmente in der Maximalquerschnittsstellung befinden, so daß sich auch in der Maximalquerschnittsstellung eine glatte Düsenwandinnenfläche für den durch die Düse strömenden Abgas­ strom ergibt.

Im unteren Halbschnitt der Fig. 2, welcher die Düse in der Minimalquerschnittsstellung zeigt, entspricht in der linken Hälfte die Schnittebene der Linie B-B in Fig. 1, während in der rechten Hälfte die Schnittebene der Linie A-A in Fig. 1 entspricht.

Der keramische Überzug der Düsensegmente 14 bildet in deren Minimalquerschnittsstellung eine Dichtungshaut über den aneinanderstoßenden Seitenrändern der Segmente und ver­ hindert ein Auslecken von Gas zwischen diesen Seitenrändern. In der Maximalquerschnittsstellung der Düsensegmente kann kein Gas auslecken, da dort die Düsensegmente bündig an der Innenwand 18 anliegen.

Bei der beschriebenen Konstruktion handelt es sich also um eine gewichtsmäßig leichte Zwei-Stellungs-Schubdüse, bei welcher keine Dichtungsprobleme vorhanden sind.

Die Fig. 3 und 4 zeigen eine alternative Düsenaus­ führungsform, die sich insbesondere hinsichtlich des Betätigungsmechanismus von der zuvor beschriebenen Aus­ führungsform unterscheidet. Zum leichteren Vergleich mit der vorher beschriebenen Ausführungsform sind in den Fig. 3 und 4 entsprechende Bauteile jeweils mit den gleichen Be­ zugszeichen wie in den Fig. 1 und 2 versehen.

Der Betätigungsmechanismus der Schubdüse nach den Fig. 3 und 4 weist pro Düsensegment 14 zwei Glieder 40 und 42 auf, von denen das Glied 40 über ein Gelenk 44 mit dem betreffenden Düsensegment und das Glied 42 über ein Gelenk 46 mit dem Düsenrohr 16 verbunden ist, und die außerdem durch ein Kniegelenk 48 miteinander zu einem Kniehebel verbunden sind. Mit dem Kniegelenk 48 ist außer­ dem ein Kuppelstangenglied 50 verbunden, das über ein daran angelenktes weiteres Kuppelstangenglied 52 mit einem Betätigungsring 54 verbunden ist. Der drehbare Betätigungs­ ring 54 ist den Kuppelstangen 50, 52 aller Düsensegmente gemeinsam zugeordnet.

Auf seiner stromabwärtigen Seite ist der Betätigungs­ ring 54 außerdem über eine Anzahl weiterer Lenker 56 mit einem axial verschiebbaren Ring 58 gekuppelt, an welchem die stromabseitigen Enden sämtlicher Düsensegmente 14 je­ weils mittels eines Gelenks 60 angelenkt sind. Es ist nicht erforderlich, daß jedem Düsensegment ein Lenker 56 zuge­ ordnet ist, vielmehr reichen beispielsweise drei solche Lenker aus, die mit gleichen Winkelabständen am Düsen­ umfang verteilt sind.

Die stromaufseitigen Enden der stromaufwärtigen Segment­ abschnitte 20 sind bei diesem Ausführungsbeispiel über feste Gelenke 62 mit dem Düsenrohr 16 verbunden.

Die Arbeitsweise des eben beschriebenen Betätigungs­ mechanismus ist folgendermaßen:
Bei der in der unteren Hälfte der Fig. 3 gezeigten Minimalquerschnittsstellung befinden sich die Kniehebel­ glieder 40 und 42 jenseits ihrer kritischen Streckmittel­ lage in Streckstellung und wirken als Stütze für die Düsensegmente 14. Zur Verstellung der Düsensegmente in die Maximalquerschnittsstellung wird der Betätigungsring 54 mit Hilfe einer nicht dargestellten Explosivladung gedreht, wodurch gemäß Fig. 4 die Winkel zwischen den Kuppelstangen­ gliedern 52 sowie den Lenkern 56 und dem Betätigungsring 54 vergrößert werden. Dies hat eine axiale Verschiebung der Gelenke 48 und 60 zur Folge, wobei das Gelenk 48 sich stromaufwärts verschiebt und das Einknicken des Knie­ hebels 40, 42 bewirkt, so daß die Düsensegmente 14 mit ihren stromaufwärtigen Segmentabschnitten 20 radial nach außen in Anlage an die Innenwand 18 des Düsenrohres 16 geklappt werden. Die Düsensegmente sind wiederum mindestens im Bereich ihrer Seitenränder mit einem keramischen Überzug versehen, der bei Beginn der Düsensegmentbewegung bricht.

Die Explosivladung kann unmittelbar auf den Betätigungs­ ring 54 wirken, beispielsweise nach Art eines Kolbens, oder sie kann alternativ dazu, wenn der Betätigungsring durch zwischen ihm und dem Düsenrohr 16 angeordnete Federn unter Vorspannung gehalten wird, einen den Betätigungsring entgegen seiner Vorspannung arretierenden Draht, Stift oder dergl. ab­ scheren. Derartige Betätigungssprengladungen sind an sich bekannt und brauchen daher nicht näher beschrieben zu werden. Sie ermöglichen eine einfache Betätigung der Düsenverstellung zwischen ihren beiden Betriebsstellungen, ohne daß komplizierte hydraulische oder andere Mechanismen notwendig sind.

Bei einer weiteren, nicht dargestellten Düsenausführungs­ form sind die beweglichen Düsensegmente als flexible Streifen oder Fäden ausgebildet, die zwischen zwei mit gegenseitigem Axialabstand angeordneten Ringen gespannt sind. Die Streifen bzw. Fäden sind am Umfang der Ringe befestigt, und durch relative gegenseitige Verdrehung der beiden Ringe werden die Streifen bzw. Fäden verdrillt und nehmen in Längsrichtung eine Hyperbelform an.

Claims (8)

1. Querschnittsveränderliche Schubdüse, insbesondere für integrierte Raketen/Staustrahl-Triebwerke für Raketen, mit zwischen einer Minimalquerschnittsstellung und einer Maximalquerschnittsstellung bewegbaren Segmenten, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) ein feststehendes äußeres Düsenrohr eine die Düsenform in deren Maximalquerschnittsstellung be­ stimmende Innenwand (18) aufweist,
• b) die beweglichen Düsensegmente (14) in einer der Minimalquerschnittsstellung der Düse entsprechenden Ursprungsstellung stehen, in welcher sie zusammen den Düsenkanal in der Minimalquerschnittsstellung begrenzen, und aus welcher sie in die Maximalquer­ schnittsstellung bewegbar sind, in der sie an der festen Innenwand (18) des Düsenrohres (16) anliegen,
• c) die Düsensegmente (14) in ihrer die Minimalquer­ schnittsstellung bildenden Ursprungsstellung mit einer die Stoßfugen zwischen benachbarten Segmenten abdichtenden Dichtungshaut überzogen sind, und
• d) die Dichtungshaut auf einem Material hergestellt ist, das bei Bewegung der Düsensegmente (14) aus der Minimalquerschnittsstellung in die Maximalquerschnitts­ stellung mindestens entlang der seitlichen Segment­ ränder bricht.

2. Querschnittsveränderliche Schubdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsensegmente jeweils einen stromaufwärtigen Segmentabschnitt (20) und einen damit durch ein Gelenk verbundenen stromabwärtigen Segmentabschnitt (14) aufweisen, und daß der stromaufwärtige Segmentabschnitt (20) außerdem mit seinem stromaufseitigen Ende und der strom­ abwärtige Segmentabschnitt mit seinem stromabseitigen Ende gelenkig mit dem Düsenrohr (16) verbunden ist.

3. Querschnittsveränderliche Schubdüse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsensegmente (14) jeweils eine starre Form haben, die im Längsprofil der Gestalt der Innenwand (18) des Düsenrohres (16) entspricht und in Umfangsrichtung so gestaltet ist, daß die Düsensegmente in ihrer Ursprungsstellung mit ihren Seitenrändern aneinander anliegen.

4. Querschnittsveränderliche Schubdüse nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Düsensegmenten (14) und dem Düsenrohr (16) Zugfedern (30) angeordnet sind, welche die Düsensegmente in Richtung der Maximalquerschnittsstellung vorspannen, und daß eine lösbare Arretierung (32) die Düsensegmente entgegen der Federvorspannung in der Minimalquerschnittsstellung arretiert.

5. Querschnittsveränderliche Schubdüse nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Düsenseg­ menten (14) und dem Düsenrohr (16) Lenker (40, 42) mit einem ihnen zugeordneten Betätigungsmechanismus (50, 52) angeordnet sind, welche die Düsensegmente in ihrer Ursprungsstellung halten und über welche sie in die Maximalquerschnittsstellung bewegbar sind.

6. Querschnittsveränderliche Schubdüse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lenker als Kniehebel mit zwei durch ein Kniegelenk (48) miteinander verbundenen Kniehebelgliedern (40, 42) ausgebildet sind, die einer­ seits an einem Düsensegment (14) und andererseits am Düsenrohr (16) angelenkt sind und deren Kniegelenk jeweils über eine Kuppelstange (50, 52) mit einem auf alle Segmente wirkenden drehbaren Betätigungsring (54) gekuppelt ist, der bei Drehung eine Schubbewegung der Kuppelstange erzeugt.

7. Querschnittsveränderliche Schubdüse nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Betätigungsring (54) über weitere Lenker (56) mit einem axial verschiebbaren Ring (58) am stromabwärtigen Düsenende gekuppelt ist, mit welchem die stromabwärtigen Enden aller Düsensegmente (14) verbunden sind.

8. querschnittsveränderliche Schubdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungshaut durch einen keramischen Überzug der Düsen­ segmente gebildet ist.