DE69815901T2

DE69815901T2 - Düsenstruktur für raketendüsen mit gekühlten düsenwänden

Info

Publication number: DE69815901T2
Application number: DE69815901T
Authority: DE
Inventors: Jan HÄGGANDER
Original assignee: Volvo Aero AB
Current assignee: GKN Aerospace Sweden AB
Priority date: 1998-11-27
Filing date: 1998-11-27
Publication date: 2004-05-19
Anticipated expiration: 2018-11-28
Also published as: CN1160511C; EP1161625B1; JP4271866B2; UA46177C2; WO2000032920A1; CN1322276A; JP2002531748A; RU2213247C2; DE69815901D1; EP1161625A1; US6467253B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Düsenanordnung für Raketendüsen mit einer gekühlten Düsenwand, die eine große Anzahl eng beabstandeter, sich vom Einlassende der Düse zu ihrem Auslassende erstreckender Kühlkanäle umfasst.
Derartige gekühlte Raketendüsen müssen eine Düsenwand aufweisen, die sowohl leicht als auch fest ist, und die für eine gleichmäßige Kühlwirkung sorgt. Um dies zu erreichen, wird eine große Anzahl paralleler Kühlkanäle in dem metallenen Wandmaterial selbst angeordnet. Die Kühlkanäle können entweder durch Bearbeitung des Wandmaterials und ergänzende Konstruktionsmaßnahmen ausgebildet werden oder die Düsenwand selbst kann aus einer großen Anzahl eng beabstandeter Rohre bestehen, die miteinander verbunden sind. Die Wand kann ebenso aus einer Verbundschicht aus zwei Materialien gebildet werden, in die durch verschiedene Verfahren Hohlräume eingebracht werden, welche im verbundenen Zustand die Kanäle bilden.
Raketendüsen der oben genannten Art sind beispielsweise aus der US-A-5 221 045, der US-A-5 386 628, der US-A-5 233 755, der US-A-4 942 653 und der US-A-3 768 256 bekannt.
Zusätzlich zu der Tatsache, dass der Aufbau einer Düsenwand aus einer großen Anzahl – mehreren Hunderten – dünner Rohre arbeitsintensiv und zeitaufwendig ist, weist eine derartige Düse auch andere Nachteile auf. Es ist somit schwierig, die erforderliche Festigkeit der Anordnung in tangentialer Richtung zu erreichen, wenn die Rohre durch Löten miteinander verbunden werden. Derartige Rohre wurden auch durch Diffusionsfügen miteinander verbunden, eine zuverlässige Festigkeit in tangentialer Richtung wurde jedoch nicht erzielt.
Wenn verschiedene Arten zur Bearbeitung des Düsenwandmaterials eingesetzt werden, um Nuten oder Rinnen bereitzustellen, die dann zur Bildung der Kanäle mit einer weiteren Materialschicht bedeckt oder zusammengefügt werden, ist auch die Herstellung der endgültigen Verbindung, beispielsweise durch Schweißen dort wo die Schweißnaht der aus dem Druck des Kühlmittels resultierenden Spannung ausgesetzt ist schwierig.
Ein weiterer Nachteil aller bisher bekannten Düsenanordnungen besteht darin, dass das eingesetzte Material die erforderliche Festigkeit aufweisen muss und folglich, wie z. B. rostfreier Stahl oder Nickelbasismaterialien, eine relativ hohe Dichte hat. Somit sind die Düsen schwer. Dies stellt einen bedeutenden Nachteil dar, da das Gewicht der Düse die Nutzlastkapazität der Rakete verringert.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und eine Raketendüse bereitzustellen, die viel leichter und schneller herzustellen ist und deren Festigkeit deutlich verbessert ist, aber auch darin, eine leichtere Düse bereitzustellen.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Düsenwand aus mehreren langgestreckten Paneelen besteht, die sich vom Einlassende zum Auslassende der Düse erstrecken und an ihren längsseitigen Rändern miteinander verbunden sind, und in denen jeweils eine Anzahl der benachbarten Kühlkanäle ausgebildet ist, die sich in der Längsrichtung der Paneele erstrecken.
Dies führt ersichtlich zu einer bedeutenden Zeitersparnis dahingehend, dass keine Notwendigkeit für die schwierige Arbeit besteht, eine große Anzahl enger Rohre zusammenzusetzen und sie dann entlang ihrer Länge zu verbinden.
Da die Kühlkanäle in den Paneelen angeordnet sind, hat sich gezeigt, dass die Paneele für eine Düsenwandanordnung für regenerativ gekühlte Raketendüsen gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung aus einem Metall hergestellt werden können, das sich vollständig von dem bisher verwendeten unterscheidet, nämlich einem Metall, das extrudiert werden kann, wie z. B. Aluminium, Aluminiumlegierungen oder Kupfer. Dies bedeutet, dass eine weitere Vereinfachung und Zeitersparnis erzielt wird. Wenn in erster Linie Aluminium betrachtet wird, kann die erforderliche Festigkeit der Paneele im Vergleich zu rostfreiem Stahl oder nickelbasierten Materialien durch eine gewisse Vergrößerung der Abmessungen gewährleistet werden, das Gesamtgewicht pro Oberflächeneinheit ist jedoch immer noch geringer als bei diesen Materialien.
Experimentelle Untersuchungen und Berechnungen haben bewiesen, dass die hohe thermische Leitfähigkeit insbesondere von Aluminium das Risiko einer Überhitzung oder eines Aufschmelzens insbesondere an bestimmten Punkten mehr oder weniger ausschließt. Falls erforderlich, kann das Innere der Düse, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist, mit einer keramischen Wärmeschutzschicht beschichtet werden.
Die hohe thermische Leitfähigkeit der vorgeschlagenen Materialien sorgt für geringe thermische Spannungen. Der Aufbau der Düse bleibt während des gesamten Lastzyklus elastisch. Dadurch wird die Konstruktion und die Entwicklung der Düse vereinfacht.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung kann das aus einem extrudierbaren Metall bestehende Paneel aus zwei extrudierten Paneelteilen hergestellt werden, die mit geeigneten ineinander greifenden Einrichtungen versehen sind, so dass die Paneelteile miteinander verriegelt werden, wenn die ineinander greifenden Einrichtungen axial ineinander geschoben werden.
Ein nicht beschränkendes Beispiel der Erfindung wird nun mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen
1 eine gebrochene perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Paneels zeigt,
2 eine Seitenansicht zweier entlang ihrer Seitenränder miteinander verschweißter Paneele zeigt, wobei jedes Paneel zwei extrudierbare Paneelteile umfasst,
3 eine Seitenansicht zweier Paneele zeigt, die miteinander verschweißt und auf einer Seite mit einer keramischen Wärmeschutzschicht auf der heißen Seite der fertigen Düse und auf der gegenüberliegenden Seite mit Verstärkungsrippen versehen sind,
4 eine Seitenansicht einer glockenförmigen Raketendüse mit spiralförmig gewundenen Paneelen zeigt,
5 eine gebrochene perspektivische Ansicht zweier Paneele zeigt, die miteinander verschweißt und mit einer Verriegelungseinrichtung versehen sind, um die Paneele zusammenzuhalten,
6 einen Ausschnitt aus 4 in vergrößertem Maßstab zeigt, in dem die Kühlkanäle in den spiralförmig gewundenen Paneelen der Düse zu sehen sind.
1 zeigt eine Düsenanordnung in Form eines Paneels 11 gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Das langgestreckte Paneel 11 ist zur Bil dung eines Teils einer Düsenwand für regenerativ gekühlte Raketendüsen oder für Raketendüsen mit einer gekühlten Düsenwand vorgesehen und erstreckt sich kontinuierlich vom Einlassende der Düse zu ihrem Auslassende, wobei die Absicht besteht, eine Anzahl von Paneelen 11 zur Bildung der gesamten Raketendüsenwand in Längsrichtung miteinander zu verschweißen. Das Paneel 11 ist mit einer Anzahl benachbarter, langgestreckter, paralleler Kühlkanäle 2, acht in der gezeigten Ausführungsform, versehen, die sich über die gesamte Länge des Paneels erstrecken und beispielsweise einen ovalen Querschnitt aufweisen.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist jedes der in 1 gezeigten Paneele 11 einstückig ausgebildet, vorzugsweise durch Extrusion von Aluminium, Aluminiumlegierungen, Kupfer oder anderen extrudierbaren Metallen.
Wie in 4 gezeigt ist, erstrecken sich die Paneele 11 helixförmig vom Einlassende einer Düse 1 zu ihrem Auslassende 4.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Paneel 11 vorzugsweise entlang seiner Seitenränder 7 außen auch mit Flanschen 5, 6 versehen. Diese Flansche erfüllen drei Aufgaben, nämlich als Versteifungseinrichtungen gegen ein Verziehen der fertigen Düse zu wirken, für eine lokale Erhöhung der Materialdicke an der Verbindungsstelle oder der Schweißnaht zwischen den Paneelen zu sorgen und bei der nachfolgend beschriebenen Herstellung der Düsenanordnung als Einrichtung zum Zusammendrücken von benachbarten Paneelen auf einer Schweißelektrode (nicht gezeigt) zu dienen.
Die in 1 gezeigten Flansche 5 und 6 sind optional an der Randseite eines jeden Flansches mit einer Nut 8 bzw. einer Rippe sowie mit einer nach innen gerichteten Kerbe 10 in jedem Flansch versehen.
Die Nut 8 bzw. die Rippe 9 der Flansche in einem Paneel 11 ist dazu eingerichtet, mit der entsprechenden Rippe bzw. Nut des Flansches benachbarter Paneele in Eingriff zu gelangen, um die Paneele auf einer Schweißelektrode, nicht gezeigt, wechselseitig auszurichten, wenn die Paneele miteinander verschweißt werden.
2 zeigt eine zweite Ausführungsform zweier erfindungsgemäßer, miteinander verschweißter Paneele 21. Jedes Paneel 21 ist durch Extrudieren von Paneelteilen 23, 24 hergestellt, die aus verschiedenen Materialien oder dem gleichen Material bestehen, wobei die Paneelteile dann durch Schieben in axialer Richtung ineinander ge schoben werden und vorzugsweise durch ihre Form, wie z. B. eine Schwalbenschwanzverbindung oder eine ähnliche Verbindungseinrichtung zusammengehalten werden. Die in 2 gezeigten Paneelteile 23, 24 sind auf einer Seite jeweils beispielsweise mit einer vorbestimmten Anzahl von Balken und Nuten versehen, die sich in der Längsrichtung der Paneelteile erstrecken. Die Balken 26 auf einem Paneelteil 24 weisen eine größere Höhe auf als die Balken 25 auf dem gegenüberliegenden Paneelteil 23, so dass Kanäle 22 zwischen den Paneelteilen 23, 24 verbleiben, wenn diese ineinander geschoben werden. Das in der 2 gezeigte obere Paneelteil 23 bildet die kalte Außenseite der Düse und bildet im Prinzip den Trägerteil der Düse, während das untere Paneelteil der Flamme zugewandt und für die Wärmeübertragung geeignet ist. Die so hergestellten Verbundpaneele 21 werden außen entlang ihrer Längsseiten zur Bildung der Düse miteinander verschweißt und die Paneele auf der Innenseite der Düse müssen ebenso miteinander verschweißt werden. Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, wenn die Kühlkanäle 22 der Raketendüse einen kleinen Querschnitt aufweisen.
Die in 2 dargestellte Ausführungsform ist ohne die Flansche 5, 6 (siehe 1) gezeigt, es versteht sich jedoch für den Fachmann, dass diese Ausführungsform ebenfalls, wie oben beschrieben, mit entsprechenden Flanschen versehen werden kann.
3 zeigt eine Variante der ersten Ausführungsform, bei der die Paneele 11 auf dem Teil, das die Außenseite der Düse bildet mit Verstärkungsrippen 12 versehen sind, welche dazu dienen, die Steifigkeit der Düse zu erhöhen und Wärme zu übertragen.
Die Figur zeigt ebenso, dass die Paneele auf der Innenseite der Düse miteinander verschweißt werden können, um deren Steifigkeit zu erhöhen, dies ist jedoch nicht wie bei der zweiten Ausführungsform zwingend erforderlich.
Wenn die Paneele gemäß der ersten oder der zweiten Ausführungsform mit Flanschen 5, 6 versehen sind, kann eine längsgerichtete Verriegelungseinrichtung 13, wie die in 5 gezeigte, vom Auslassende der Düse bis ungefähr zur Hälfte ihrer Höhe, das heißt über den Bereich, in dem die Spannungen maximal sind, über die miteinander verbundenen Flansche geschoben und mit dem Flansch verschweißt werden.
6 zeigt eine Vergrößerung der die Düsenwand bildenden Paneele, in denen die Kühlkanäle 2 ausgebildet sind.
Es versteht sich für den Fachmann, dass die oben erwähnten Arten von Raketendüsen auf der Innenseite mit einer Wärmeschutzschicht 14 versehen sein können.
Der Teil der Wand der Kühlkanäle in den Paneelen gemäß den oben beschriebenen Ausführungsformen, der auf der heißen Seite der Düse liegt, kann in den Kühlkanälen mit einer oberflächenvergrößernden Einrichtung, nicht gezeigt, versehen sein, um die Kühlwirkung zu erhöhen und die Temperatur des Materials zu verringern.
Obwohl die erfindungsgemäße Paneele sehr gut für die Herstellung glockenförmiger Raketendüsen mit einer gekühlten Düsenwand geeignet sind, versteht es sich für den Fachmann, dass es ebenso möglich ist, beispielsweise Aero-Spike-Düsen (Ringdüsen) oder kegelförmige Düsen aus diesen Paneelen herzustellen.
Ein Verfahren zur Herstellung einer regenerativ gekühlten glockenförmigen Raketendüse mit einer mit Kühlkanälen ausgestatteten Düsenwand, die aus Paneelen gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung besteht, wobei sich die Paneele spiralförmig entlang der Düsenwand erstrecken, wird im folgenden kurz beschrieben;

– Im ersten Schritt werden gerade oder vorab spiralförmig gestaltete Paneele außen an dem kleinen Ende einer glockenförmigen Schweißelektrode (nicht gezeigt) angebracht, die bis auf einen kleinen tangentialen Spalt die gleiche Form wie die fertige Düse aufweist. Die Anzahl der Paneele für einen gebräuchlichen Düsentyp beträgt zwischen 40 und 80, was mit ungefähr 420 Röhren für einen gegenwärtig produzierten Düsentyp vergleichbar ist. Der tangentiale Spalt zwischen den Paneelen wird durch die Anpassung des Winkels des Paneels an die Achse der Düse beseitigt,
– im zweiten Schritt kann, wenn die Paneele an ihren Seitenrändern mit Flanschen versehen sind, eine Einrichtung zur Befestigung der Paneele aneinander vom kleinen Ende der Schweißelektrode über die Flansche geschoben werden, wobei diese Einrichtung beispielsweise einen ersten Satz von "Vorläufern" umfasst, die die Paneele teilweise zusammenbringen. Gleichzeitig wird die Schweißelektrode gedreht, um die Paneele in eine spiralförmige Form zu bringen. Dann werden die Vorläufer entlang der Flansche abgezogen und ein neuer Satz von Einrichtungen wird angebracht, die die Paneele vollständig zusammenbringen und aneinander befestigen. Die Nuten und Rippen (siehe 1) benachbarter Paneele greifen ineinander und sichern die Paneele in radialer Richtung, und
– im dritten Schritt werden die ersten Teile (kleines Ende) der Düsenpaneele miteinander verschweißt, woraufhin das Verfahren nach den Schritten 2 und 3 wiederholt wird.

Claims

Düsenanordnung für Raketendüsen mit einer gekühlten Düsenwand, die eine große Anzahl eng beabstandeter, sich vom Einlassende (3) der Düse zu ihrem Auslassende (4) erstreckender Kühlkanäle (2; 22) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenwand aus mehreren langgestreckten Paneelen (11; 21) besteht, die sich vom Einlassende zum Auslassende der Düse erstrecken und an ihren längsseitigen Rändern (7) miteinander verbunden sind, und in denen jeweils eine Anzahl der benachbarten Kühlkanäle (2; 22) ausgebildet ist, die sich in der Längsrichtung der Paneele (11; 21) erstrecken.
Düsenanordnung nach Anspruch 1, insbesondere für eine glockenförmige oder konische Raketendüse, wobei die Paneele (11; 21) spiralförmig in der Düsenwand angeordnet sind.
Düsenanordnung nach Anspruch 2, insbesondere für eine regenerativ gekühlte Raketendüse (1), wobei die Paneele (11; 21) aus einem extrudierbaren Metall bestehen.
Düsenanordnung nach Anspruch 1 oder 3, bei der Paneele (11; 21) aus Aluminium, Aluminiumlegierungen, Kupfer oder anderen extrudierbaren Metallen bestehen.
Düsenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Paneele (11) einstückig ausgebildet sind.
Düsenanordnung nach Anspruch 3, bei der jedes Paneel (21) zwei übereinander gelagerte Paneelteile (23, 24) umfasst, von denen jedes auf einer Seite mit einer vorbestimmten Anzahl von ineinander greifenden Einrichtungen (25, 26) versehen ist, so dass die ineinander greifenden Einrichtungen die Paneelteile zusammenhalten, nachdem sie in einer axialen Gleitbewegung zusammengebaut wurden, wobei sich die ineinander greifenden Einrichtungen in der Längsrichtung der Paneelteile (23, 24) erstrecken, und wobei die ineinander greifenden Einrichtungen (26) an einem der Paneelteile (24) eine größere Höhe aufweisen als die ineinander greifenden Einrichtungen (25) an dem anderen Paneelteil (23), so dass in der zusammengebauten Position der Paneelteile (23, 24) Kanäle (22) zwischen dem Boden der Rillen in dem Paneelteil (24), das die ineinander greifenden Einrichtungen (26) mit der größeren Höhe aufweist und dem oberen Teil der ineinander greifenden Einrichtungen (25) mit der geringeren Höhe des anderen Paneelteils (23) gebildet werden.
Düsenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Seitenränder (7) der Paneele (11; 21) mit Flanschen (5, 6) versehen sind, die eine Einrichtung (8, 9) zur Ausrichtung benachbarter Paneele (11; 21) aufweisen.
Düsenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die Innenseite der Düse (1) mit einer Wärmesperrschicht (14) beschichtet ist.