DE1446917C1 - Rocket propulsion system using combustion chamber-bound solid propellants - Google Patents

Description

Raketenfeststoff-Motoren haben für bestimmte Einsatzgebiete gegenüber Flüssigkeitstriebwerken so wesentliche Vorteile, daß sie nicht ohne weiteres durch Flüssigkeitstriebwerke ersetzt werden können. Feststofftriebwerke weisen aber den Nachteil auf, daß sie nach dem Abschuß in ihrem Abbrandverhalten, d. h. zum Beispiel in ihrem Schub oder ihrer Brennzeit, nicht mehr verändert werden können, und eine Regulierung während des Fluges vermittels der Abbrandeigenschaften nicht mehr durchführbar ist.Solid rocket engines are so essential for certain areas of application compared to liquid propulsion systems Advantages that they cannot be easily replaced by liquid thrusters. Solid propulsion but have the disadvantage that, after firing, their burning behavior, d. H. for example in their thrust or their burning time, can no longer be changed, and a regulation is no longer feasible during the flight due to the burning properties.

Daher müssen Feststofftreibladungen vor ihrem Einsatz auf ihren genauen Verwendungszweck ausgelegt werden, was durch Wahl eines geeigneten Festtreibstoffes, eines günstigen Druckarbeitsbereiches und einer entsprechenden Düse erfolgen kann.Therefore, solid propellant charges must be designed for their precise purpose before they are used what by choosing a suitable solid propellant, a favorable pressure working range and a corresponding nozzle.

Ganz entscheidenden Einfluß auf die Flugeigenschaften hat aber die Form des Treibsatzes, so daß ihr ein wesentliches Moment in der Auslegung der Raketen zukommt.But the form of the propellant has a decisive influence on the flight characteristics, so that you have a essential moment in the design of the missile comes.

Allen Feststofftreibsätzen ist nun gemeinsam, daß bestimmte Teile der Oberfläche von der Verbrennung ausgeschlossen werden müssen, damit diese in einer ganz besonderen Richtung fortschreitet, die vorher berechnet worden ist, und daß die übrigen Abbrandparameter nicht in unzulässiger Weise beeinflußt werden.All solid propellants have in common that certain parts of the surface are affected by combustion must be excluded so that this progresses in a very special direction, the one before has been calculated, and that the other burn-up parameters are not influenced in an impermissible manner.

Diese Isolierungen können teils so ausgebildet werden, daß sie langsam mit dem Treibsatz abbrennen, um keine unerwünschten Gasströmungen zu erzeugen, bzw. die Klemmung verändern, teils können die Isolierungen so ausgebildet werden, daß sie erhalten bleiben und gewisse Teile, z. B. die Kammerwand, gegen die allzu große Erhitzung schützen.This insulation can be designed in such a way that it burns slowly with the propellant, in order not to generate any undesired gas flows or to change the clamping, sometimes the Insulations are designed so that they are retained and certain parts, e.g. B. the chamber wall, against protect from excessive heating.

Es ist nun eine große Anzahl von Profilen der Treibladungen vorgeschlagen worden, mittels derer sich die meisten Aufgaben durchführen lassen. Einen bevorzugten Platz nehmen dabei die Innenbrennerkonstruktionen ein, weil damit eine gleichzeitige Wärmeisolierung der Raketenkammer einhergeht.A large number of propellant charge profiles have now been proposed by means of which get most of the tasks done. The internal burner constructions take a preferred place because this is accompanied by a simultaneous thermal insulation of the missile chamber.

Die bisher durchgeführten Methoden bestanden darin, daß ein Treibsatz an seiner Außenfläche isoliert und dann in ein Raketengehäuse eingeführt und dort verankert wurde. Dabei bedingen die Treibsatzhalterungen einen gewissen konstruktiven Aufwand. Außerdem muß der Treibsatz vor der Laborierung bearbeitet und isoliert werden. Desgleichen muß der Festtreibstoff eine so große mechanische Festigkeit aufweisen, daß er auch bei höheren Temperaturen dimensionsstabil bleibt.The methods carried out so far consisted in that a propellant insulates on its outer surface and then inserted into a missile case and anchored there. The propellant mounts require a certain constructive effort. In addition, the propellant must be processed and to be isolated. Likewise, the solid propellant must have so great a mechanical strength that it remains dimensionally stable at higher temperatures.

Eine zweite Methode besteht darin, daß der Treibsatz als solcher nicht mehr isoliert, sondern in die Kammer eingeführt und dort mit ihr so verbunden wird, daß die Kammerwand als Isolierung selbst wirkt. Der Vorteil dieser Methode besteht darin, daß die Kammerwand zugleich den Treibsatz stützt und daß eine besondere Halterung entfällt. Der Treibsatzkörper muß aber fugenlos mit der Kammerwand verbunden werden, so daß die Zünd- und Brennflamme keine Gelegenheit hat, zwischen Kammerwand und Treibsatz zu schlagen.A second method is that the propellant is no longer isolated as such, but into the chamber is introduced and connected to it there in such a way that the chamber wall acts as an insulation itself. The advantage This method consists in the fact that the chamber wall supports the propellant and that a special one Bracket is not required. The propellant body must, however, be seamlessly connected to the chamber wall, see above that the ignition and burning flame has no opportunity to strike between the chamber wall and the propellant.

Besonders vorteilhaft ist für diese kammergebundenen Raketenmotoren die Herstellung durch das Gießverfahren, bei dem der Treibsatzkörper in der Raketenkammer in seine Form gebracht und ausgehärtet wird.The manufacture by the Casting process in which the propellant body is shaped and cured in the rocket chamber will.

Ein außerordentlich großer Nachteil dieser Methode ist aber der, daß bei den im allgemeinen verschieden großen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Kammerwand und des Treibsatzkörpers große Spannungen bei Temperaturwechseleinflüssen auftreten, die nicht ohne weiteres von dem Treibsatz ohne ein Aufreißen aufgefangen werden können. Um diese Spannungen aufzufangen, wurden schon Vorschläge gemacht, eine dünne Isolierschicht zwischen Kammerwand und Treibsatz einzubringen, die verhältnismäßig elastisch ist und die die Spannungen auszugleichen in der Lage sein sollte. Es hat sich aber gezeigt, daß besonders bei doppelbasigen Feststofftreibsätzen das im Pulver enthaltene Nitroglycerin sehr leicht in diese Zwischenschicht einwandern kann und dadurch die Festigkeit und die Haftung in unzulässiger Weise verschlechtert.An extraordinarily great disadvantage of this method, however, is that they generally differ large thermal expansion coefficients of the chamber wall and the propellant body large stresses Changes in temperature occur which are not readily affected by the propellant charge without tearing can be caught. To counter this tension, proposals have already been made, one introduce a thin insulating layer between the chamber wall and propellant charge, which is relatively elastic and which should be able to balance the tensions. But it has been shown that especially with double-base solid propellants, the nitroglycerin contained in the powder very easily into this intermediate layer can immigrate and thereby impair the strength and the adhesion in an inadmissible manner.

Es hat sich nun erwiesen, daß gerade für doppelbasige Pulvertreibsätze und solche Treibsätze, die neben sauerstoffliefernden Salzen doppelbasige Pulveranteile enthalten, als Bindematerial zwischen Pulver und Brennkammerwand carboxylgruppenhaltige Polybutadiene hervorragend geeignet sind. Bezüglich deren Herstellung sei z. B. auf die USA.-Patentschrift 31 08 994, die britische Patentschrift 8 31 061 und Chemical and Eng. News, 1.8.1960, S. 35, verwiesen.It has now been shown that especially for double-base powder propellants and propellant charges that are next to Oxygen-supplying salts contain double-base powder components as a binding material between powder and Combustion chamber wall containing polybutadienes containing carboxyl groups are eminently suitable. Regarding them Production is z. B. on the USA. Patent 31 08 994, British Patent 8 31 061 and Chemical and Eng. News, 1.8.1960, p. 35.

Diese Polybutadiene, die vorzugsweise endständige Carboxylgruppen tragen und ein Molgewicht von etwa 5000 aufweisen, besitzen ein außerordentlich hohes Haftvermögen sowohl an Metalloberflächen als auch an Pulvern oder Composite-Treibsätzen und weisen eine Dehnung auf, die alle auftretenden Beanspruchungen auszugleichen gestattet. Außerdem ist dieses Bindematerial bis zu sehr tiefen Temperaturen elastisch, ohne daß Kaltsprödigkeit auftritt, und nicht zuletzt ist die Einwanderung von Nitroglycerin außerordentlich gering, so daß sich die Binderschicht in ihren Eigenschaften nicht ändert.These polybutadienes, which preferably have terminal carboxyl groups and a molecular weight of about 5000 have an extremely high adhesive strength both to metal surfaces and to Powders or composite propellants and have an elongation that takes all the stresses that occur offset allowed. In addition, this binding material is elastic at very low temperatures, without that cold brittleness occurs, and last but not least, the immigration of nitroglycerin is extremely low, so that the properties of the binder course do not change.

Um zu den gewünschten gummielastischen Produkten zu kommen, müssen die carboxylierten Polybutadiene noch vernetzt werden, was z. B. mit Polyepoxyden bzw. Polyazaridinen durchgeführt werden kann. Wesentlich ist dabei das Vorhandensein von mehreren reaktiven Azaridingruppen, die an beliebige Systeme gebunden sein können.In order to obtain the desired rubber-elastic products, the carboxylated polybutadienes still be networked, which z. B. can be carried out with polyepoxides or polyazaridines. Essential is the presence of several reactive azaridine groups, which are attached to any system can be bound.

Die Isoliermassen können mit Feststoffen und/oder mit flüssigen Zusatzkomponenten gemischt werden, alsThe insulating compounds can be mixed with solids and / or with additional liquid components, as

olche kommen ζ. B. in Frage Mineralstoffe, anorgani- ;che oder organische Salze, organische Polymere, lüssige Streckmittel (Extender) und Weichmacher.olks come ζ. B. in question minerals, inorganic ; Chemical or organic salts, organic polymers, liquid extenders and plasticizers.

Die gemäß der Erfindung hergestellten Feststoffreibsätze zeichnen sich durch besondere Lagerstabilität ms und weisen gegenüber den bisher verwendeten Typen Vorteile auf. Ebenso bleiben die obenbeschriebeien Vorzüge der kammergebundenen Treibsätze ;rhalten, wie Abschirmung der Oberfläche vor Abbrand, Stützung des Treibsatzes durch die Kammerwand sowie Wegfall der Haltevorrichtung.The solid fractions produced according to the invention are distinguished by particular storage stability ms and have advantages over the types previously used. Likewise, the above-described remain Advantages of the chamber-bound propellant charges, such as shielding the surface from burning, Support of the propellant charge by the chamber wall and elimination of the holding device.

Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herge^ stellten kammergebundenen Raketentreibsätze können nach folgenden Methoden hergestellt werden:The chamber-bound rocket propellants produced by the method according to the invention can can be manufactured using the following methods:

Vorgefertigte Pulvertreibsätze werden durch Aufbringung einer Schicht vorisoliert, z. B. durch Aufspachtelung einer gefüllten Binderschicht oder einer angehärteten Isoliermasse und Aushärtung, in die Raketenkammer geschoben und der verbleibende dünne Spalt mit flüssigem Reaktionsgemisch gefüllt und nachträglich gehärtet. Die Binderschicht läßt sich auch direkt in der Brennkammer erzeugen, worauf der Treibsatz mit einer dünnen Schicht flüssigen Materials überstrichen, eingeschoben und die flüssige Schicht nachträglich ausgehärtet wird. Außerdem kann der Treibsatz in die Raketenkammer gebracht werden; das flüssige Reaktionsharz wird eingesaugt bzw. eingespritzt und durch Wärmebehandlung gehärtetPrefabricated powder propellants are pre-insulated by applying a layer, e.g. B. by filling a filled binder layer or a hardened insulating compound and curing, into the missile chamber pushed and the remaining thin gap filled with liquid reaction mixture and subsequently hardened. The binder layer can also be produced directly in the combustion chamber, whereupon the propellant charge with a A thin layer of liquid material was painted over, pushed in and the liquid layer was subsequently hardened will. In addition, the propellant can be brought into the missile chamber; the liquid reaction resin is sucked in or injected and hardened by heat treatment

Brennkammergebundene Gieß-POL-Treibsätze lassen sich dadurch herstellen, daß in die mit der Isoliermasse vorbehandelte Brennkammer die Pulvergießmasse eingebracht und in der Brennkammer ausgehärtet wird. Die Bindung erfolgt direkt an die Polybutadienschicht.Combustion chamber-bound casting POL propellant charges can be produced in that in the with the Insulating compound pretreated combustion chamber, the powder casting compound is introduced into the combustion chamber is cured. The bond is made directly to the polybutadiene layer.

Beispielexample

Eine Raketenkammer von 1,50 m Länge und 11 cm innerem Durchmesser wird genau horizontal auf einem Rollgestell gelagert und um seine Achse in Drehung versetzt.A missile chamber 1.50 m long and 11 cm inner diameter is exactly horizontal on a Trolley mounted and set in rotation about its axis.

In die Brennkammer, die an beiden Seiten mit einem 5 mm starken Ring aus Polyvinylchlorid versehen wurde, wird eine Mischung vonInto the combustion chamber, which is provided with a 5 mm thick ring made of polyvinyl chloride on both sides becomes a mixture of

564 g Polybutadien vom Molgewicht 5000—5500,564 g polybutadiene with a molecular weight of 5000-5500,

das Carboxylendgruppen trägt, und
36 g Phosphoroxytriaethyleniminwhich carries carboxyl end groups, and
36 g phosphoroxytriaethyleneimine

eingebracht. Durch Luftheizung wird die Brennkammer auf etwa 120⁰C erwärmt Nach etwa 2 Stunden ist die Isoliermasse vollständig vernetzt und hat ihre maximale Festigkeit und Dehnung erreicht. In diese vorbehandelte Brennkammer kann nun nach dem üblichen Verfahren eine Gießpulvermischung eingegossen und in der Brennkammer ausgehärtet werden.brought in. The combustion chamber is ^{heated to about 120 °} C. by air heating. After about 2 hours, the insulating compound is completely crosslinked and has reached its maximum strength and elongation. A casting powder mixture can now be poured into this pretreated combustion chamber using the usual method and cured in the combustion chamber.

Claims (4)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Raketenantriebssystem unter Verwendung brennkammergebundener (case-bonding) Feststofftreibsätze aus oder mit 2basigen Pulverbestandteilen, dadurch gekennzeichnet, daß der Feststofftreibsatz in die Brennkammer durch eine bindende Zwischenlage aus vernetzten, carboxylgruppenhaltigen Polybutadienen eingekittet ist.1. Rocket propulsion system using case-bonded solid propellants from or with 2-base powder components, characterized in that the solid propellant in the combustion chamber through a binding intermediate layer of crosslinked, carboxyl-containing polybutadienes is cemented. 2. Raketenantriebssystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung von vernetzten Polybutadienen mit endständigen Carboxylgruppen. 2. rocket propulsion system according to claim 1, characterized by the use of networked Polybutadienes with terminal carboxyl groups. 3. Raketenantriebssystem nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch die Verwendung von carboxylgruppenhaltigen Polybutadienen, die mit Polyepoxiden oder Polyazaridinen vernetzt sind.3. rocket propulsion system according to claims 1 and 2, characterized by the use of carboxyl group-containing polybutadienes which are crosslinked with polyepoxides or polyazaridines. 4. Raketenantriebssystem nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die bindende Zwischenlage als Füllstoff oder als Beimischung Mineralstoffe, anorganische oder organische Salze, organische Polymere, flüssige Streckmittel und/oder Weichmacher enthält.4. rocket propulsion system according to claims 1 to 3, characterized in that the binding Interlayer as a filler or as an admixture, minerals, inorganic or organic salts, contains organic polymers, liquid extenders and / or plasticizers.