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Die Erfindung betrifft einen brennbaren pyrogenen Zünder (oder
Zündvorrichtung) für einen Verbrennungsraketenmotor für festen Treibstoff (Propergol).
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Ein Zünder des genannten Typs dient dazu,
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- einen Verbrennungsraketenmotor für festen Treibstoff zu zünden,
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- jeden Überdruck zu vermeiden, der sich während der Zündung oder als
Ergebnis des Zündvorganges einstellen könnte,
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- den festen Raketentreibstoff in einer solchen Weise zu zünden, um einen
gleichförmigen Anstieg des Druckes zu erhalten und dabei nämlich insbesondere
jede Druckoszillation zu vermeiden, und
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den Zündvorgang in einigen Zehnteln einer Sekunde abzuschließen
(üblicherweise in einer Zeit von weniger als 100 oder maximal 200
Millisekunden).
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Verbrennungsraketenmotoren für festen Raketentreibstoff werden entweder
durch einen pyrotechnischen Zünder oder durch einen pyrogenen Zünder
gezündet.
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Die pyrotechnischen Zünder wirken in der Weise, daß sie auf die Oberfläche des
festen Raketentreibstoffes des Verbrennungsraketenmotors sehr heiße Teilchen
schießen, die wiederum den festen Raketentreibstoff zünden. Die Verbrennung
dieses festen Raketentreibstoffes muß die notwendige Druckerzeugung des
Verbrennungsraketenmotors bewirken.
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Die pyrogenen Zünder enthalten einen "Gasgenerator". Das sehr heiße Gas dieses
"Gasgenerators" dient dazu, den Druck in dem Verbrennungsraketenmotor zu
erhöhen. Über das Erzeugen von sehr heißem Gas hinaus richten pyrogene
Zünder häufig und in einer den pyrotechnischen Zündern entsprechenden Weise
wie sehr heiße Teilchen auf die Oberfläche des festen Raketentreibstoffes des
Verbrennungsraketenmotors aus, um die Zündung zu verbessern.
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Ein wesentlicher Unterschied zwischen pyrotechnischen und pyrogenen Zündern
liegt darin, daß letztere einen oder mehrere kleine Durchlässe aufweisen, die,
sofern der Druck im Verbrennungsraketenmotor genügend niedrig ist, als
"Schallhälse" wirken, um (zumindest am Anfang) das Fortschreiten des Verbrennens des
Zünders vom Verbrennen des Treibstoffes des Verbrennungsraketenmotors zu
trennen.
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Jeder Zünder umfaßt die folgenden Bestandteile:
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- eine Zündeinrichtung, die elektrisch aktivierbar ist, die aber auch
mechanisch aktiviert werden kann,
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- eine Vorrichtung zur Weiterleitung der Zündflamme der Zündeinrichtung,
die in ihrer einfachsten Ausgestaltung aus einem Durchlaß besteht, der es dem
heißen Produkt gestattet, das aus dem Verbrennen oder dem Detonieren der
Zündeinrichtung hervorgeht, sich bis zum Zünder hin auszubreiten. Häufig
umfaßt diese Weiterführungsvorrichtung mehrere Komponenten und bei vielen
Anwendungen können aus Sicherheitsgründen (um eine Entzündung aufgrrind
menschlichen Fehlverhaltens zu vermeiden) zusätzlich Unterbrechungsmittel für
die Weiterführung vorgesehen sein, die aus einer Sicherungs- und Auslöse-
Einrichtung bestehen (SAFE/ARM - gesichert/entsichert).
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Die Ausbreitung und Weiterführung der Zündflamme kann mit Hilfe von
Sprengschnüren, von schnell abbrennenden Zündschnüren, von mit Schockwellen
arbeitenden Zündern (TBI) oder jedem anderen analogen pyrotechnischen Mittel
erreicht werden, das die Ausbreitung der Zündflamme des Zünders gestattet.
Darüberhinaus kann die Ausbreitung- und Weiterführungseinrichtung ebenfalls
eine "Verstärkungs"-Einrichtung zum Zünden des Zünders beinhalten. Eine solche
"Verstärkungs"-Einrichtung kann aus einer Kartusche mit einer (pyrotechnischen)
Ladung wie zum Beispiel staubförmigen Raketentreibstoff, BKNO3-Tabletten
oder jedem anderen entsprechenden pyrotechnischen Agens bestehen. Der
Zünder umfaßt ein Gehäuse, welches vollständig oder zum Teil entweder mit
einer pyrotechnischen Mischung (es handelt sich dann um einen pyrotechnischen
Zünder) oder mit Raketentreibstoff (teilweise mit einer oder mehreren
pyrotechnischen Mischungen vermischt) gefüllt ist. Das Gehäuse umfaßt eine oder
mehrere Öffnungen, durch welche die Verbrennungsprodukte in den Hohlraum
des Raketenmotors gelangen.
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Bei Zündern nach dem Stand der Technik wird das Gehäuse des Zünders
üblicherweise aus Metall hergestellt und manchmal wird dieses in das Gehäuse
des Verbrennungsraketenmotors oder des Strahlrohrs integriert. In manchen
Fällen ist der Zünder auch abnehmbar.
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Während der Verbrennungsphase des Verbrennungsraketenmotors werden Teile
des Gehäuses des Zünders manchmal durch das Strahlrohr des
Verbrennungsraketenmotors herausgedrückt, wobei hierbei dieses Strahlrohr oder andere Teile
des Verbrennungsraketenmotors beschädigt werden. Um dies zu verhindern wird
der Zünder in den meisten Fällen durch eine thermische Isolation geschützt. Es
ist dabei die Tatsache zu unterstreichen, daß, wenn der Zünder mit den
Bestandteilen des Verbrennungsraketenmotors integriert ist, dieser in der Konsequenz in
der Masse des Gesamtsystems erhöhend wirkt, da in dem Falle der Integrierung
besondere Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden müssen, was die Konstruktion,
die Widerstandsfähigkeit, die Wärmeübertragung und jede weitere nicht
gewünschte Interaktion zwischen dem "leeren" Zünder, d.h. einem Zünder dessen
brennbare Befüllung vollständig abgebrannt ist, so daß sich ein leerer
(resonanzfähiger) Hohlraum ergibt, und dem Verbrennungsraketenmotor während des
Betriebs von diesem angeht. Was den oben bereits erwähnten lösbar angebrachten
Zünder betrifft, so muß gesagt werden, daß dieser spezielle Mittel benötigt, um
im Innern des Verbrennungsraketenmotors befestigt zu werden, was sich bei den
heutigen modernen kugelförmigen Verbrennungsraketenmotoren schwierig ist und
häufig den Einsatz von Spezialkonstruktionen erfordert, um einen gasdichten
Abschluß zu erreichen. Es müssen darüber hinaus weitere Vorkehrungen
getroffen werden, um jedes Zusammenwirken des oben erwähnten "leeren" Zünders
und dem Verbrennungsraketenmotor während des Betriebes von diesem zu
vermeiden.
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Bekannte pyrotechnische Zünder umfassen ein metallisch es, ein pyrotechnisches
Gemisch enthaltendes Gehäuse (welches manchmal thermisch isoliert ist). Dieses
metallische Gehäuse umfaßt eine oder mehrere quer verlaufende Durchgänge,
durch welche sehr heiße Partikel auf die Oberfläche des zu entzündenden
Raketentreibstoffs geschickt werden.
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Die nun folgende Betrachtung von pyrogenen Zündern zeigt, daß diese auf Grund
ihrer Eigenschaften besonders für den Einsatz bei Verbrennungsraketenmotoren
geeignet sind, die ein anfänglich kleines inneres Volumen sowie eine zylindrische
Geometrie aufweisen und die mit einem rasch abbrennenden Raketentreibstoff
befüllt sind. Solche Verbrennungsraketenmotors sind insbesondere bei
militärischen Anwendungen anzutreffen. Der pyrogene Zünder ist außerdem auch
deswegen sehr geeignet, in den Kopf (oder das vordere Ende) des
Verbrennungsraketenmotors eingebaut zu werden, weil der in unmittelbarer Nähe entzündete
Raketentreibstoff auf Grund der Ausbreitung der Flamme den verbleibenden
Rest des Raketentreibstoffs leicht entzünden kann. Die meisten pyrogenen
Zünder sind abnehmbar und dabei in das vordere Ende des
Verbrennungsraketenmotors eingeschraubt.
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Auf Grund der gegebenen Voraussetzung, daß zumeist verhindert werden muß,
daß die pyrogenen Zünder durch das Strahlrohr ausgestoßen werden, sind diese
von einer schweren Konstruktion, womit eine Erhöhung der Masse des Systems in
seiner Gesamtheit einhergeht. Die pyrogenen Zünder können in dem gefluteten
Bereich (d.h, in dem Bereich, der einen Ansatz im Verbrennungsraketenmotor
bildet) des Strahlrohrs (wie zum Beispiel bei dem italienischen Satelliten IRIS)
eingebaut sein, aber sie können auch am vorderen Ende des
Verbrennungsraketenmotors angeordnet sein (wie es zum Beispiel bei dem europäischen
geostationären Apogäum-Motor, MAGE, der Fall ist, bei dem es sich um einen
zylindrischen Apogäum-Verstärkungs-Motor von großen Ausmaßen handelt, der
für die europäischen Satelliten entwickelt worden ist). In jedem Fall muß aber
eine Spezialkonstruktion vorgesehen sein, um den Zünder in das Gehäuse
einzubauen oder ihn in es zu integrieren. und es müssen Vorkehrungen getroffen
werden, daß kein nicht tolerierbarer "heißer Punkt" besteht, wobei diese
Vorkehrungen natürlich in gleicher Weise zu einer Erhöhung der Masse des Systems
führen. In dem Fall, daß der pyrogene Zünder (und manchmal auch der
pyrotechnische Zünder) aus dem Strahlrohr ausgestoßen wird, nachdem er den
Verbrennungsraketenmotor entzündet hat, müssen darüberhinaus besondere
Vorsichtsmaßnahmen
getroffen werden, um eine zeitweise Blockierung des
Strahlrohrs und/oder Beschädigungen dieses Strahlrohrs zu vermeiden. Darüberhinaus
müssen Vorkehrungen getroffen werden, damit die metallischen Teile nicht die
Verbrennungsoberfläche des festen Raketentreibstoffs beschädigen.
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Pyrogene und pyrotechnische Zünder, die in den Verbrennungsraketenmotor
integriert sind oder die getrennt in den Verbrennungsraketenmotor eingebaut
sind, werden systematisch bei allen Verbrennungsraketenmotoren eingesetzt, die
für militärische oder Raumfahrt-Anwendungen vorgesehen sind, obwohl für
letztere und für moderne Verbrennungsraketenmotors den pyrogenen Zündern
überwiegend der Vorzug eingeräumt wird.
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Die übliche Anordnung eines pyrogenen Zünders in einem modernen
Verbrennungsraketenmotor für festen Raketentreibstoff zum Antrieb von
Raumfahrzeugen ist in der Fig. 1 dargestellt, in der die folgenden Merkmale mit den
davorstehenden Bezugszeichen versehen sind:
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1 der feste Raketentreibstoff des Verbrennungsraketenmotor,
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2 endseitige Anschlüsse der Zündeinrichtung,
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3 der Zünder, der abnehmbar und an dem frontseitigen Ende des
Verbrennungsraketenmotors befestigt ist,
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4 mit Schockwellen arbeitende Zündeinrichtung,
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5 die starre Übertragungssprengschnur, und
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6 die biegsame Überrragungssprengschnur.
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Die Struktur eines typischen metallischen pyrogenen Zünders ist in der Fig. 2
dargestellt. Dort sind folgende Merkmale mit den nachstehenden Bezugszeichen
versehen:
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7 der thermische Schutzschild,
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8 die metallische Hülse der brennbaren Befüllung des Zünders,
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9 die brennbare pyrogene Befüllung,
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10 der gewindete Ring,
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11 die frontseitige Abdeckung der brennbaren Befüllung,
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12 der Dichtring,
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13 die Druckklappe,
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14 der thermische Schutz der Abdeckung,
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15 die Abdeckung,
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16 mit Schockwellen arbeitende Zündeinrichtung,
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17 die starre Übertragungssprengschnur,
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18 die Abdeckung des Endes der brennbaren Befüllung, und
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19 der Eintrittspunkt des Strahlrohrs.
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Ein brennbarer pyrogener Zünder ist in dem amerikanischen Patent US-A-3 392
673 von King beschrieben. Dieser Zünder, der für einen festen Raketentreibstoff
einsetzenden Verbrennungsraketenmotor vorgesehen ist, weist eine zentrale
longitudinale Perforation auf und verfügt über:
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a.) ein röhrenförmiges Gehäuse mit einer dünnen, mit Harz imprägnierten
Glasgewebeschicht und mit einer äußeren relativ dicken Verstärkungsschicht, die
aus einem brennbaren Material besteht, das mit einem oxidierenden Mittel
imprägniert ist, wobei letzteres das Abbrennen dieser röhrenförmigen äußeren
Verstärkungsschicht während des Abbrennens des festen Raketentreibstoffs
gestattet,
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b.) eine brennbare Befüllung in Gestalt einer Schicht die die innere
Oberfläche des oben erwähnten verstärkten röhrenförmigen Gehäuses auskleidet,
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c.) eine durch dieses so ausgekleidete Gehäuse begrenzte Brennkammer,
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d.) eine Zündeinrichtung zum Zünden des Zünders, und
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e.) ein Strahlrohr, dessen Durchmesser in einer solchen Weise gewählt worden
ist, um im Innern der Brennkammer des Zünders den gewünschten Druck zu
erzeugen und zu halten, wobei dieses Rohr aus einem Material hergestellt ist,
welches der Hitze der Verbrennung widersteht und nicht brennbar ist.
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Das Abbrennen des Gehäuses, das die brennbare Befüllung des Zünders umfaßt,
findet erst dann statt, nachdem der Zünder seine Funktion erfüllt hat, so daß das
Abbrennen dieses Gehäuses nicht zu der thermischen Nutzenergie des Zünders
beiträgt und so dessen energetischen Wirkungsgrad vermindert und gleichzeitig
das Volumen und das Gewicht des Zünders vergrößert. Darüberhinaus sind viele
Bestandteile aus organischen Gaserzeugern hergestellt, von denen einige nicht
brennbar sind, so daß der Zünder relativ große Ausmaße annimmt.
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Das amerikanische Patent US-AA 498 292 beschreibt einen brennbaren Zünder,.
der ein Gehäuse oder einen Hohlraum aufweist, der eine Brennkammer zwischen
einer Wand des ringförmigen Bodens und einer seitlichen zylindrischen Wand
begrenzt. Die Bodenwand ist von einer Treibladung bedeckt, wohingegen die
seitliche Wand von einem Elastomer bedeckt ist und von Öffnungen durchstoßen
wird, die Schallröhren bilden. Die Zündeinrichtung des Zünders wird von einer
Kartusche gebildet, die aus einem perforierten Tubus besteht, der in der Mitte
des Hohlraums eingesetzt wird. Die Röhre erstreckt sich parallel zu der
Bodenwand der Kammer und stützt sich auf der Treibladung ab. Eine solche
Zündeinrichtung ist von relativ komplexer Struktur und ist schwierig ein- und
umzusetzen.
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Die vorliegende Erfindung hat insbesondere das Ziel, einen brennbaren Zünder
für einen Verbrennungsraketenmotor für festen Raketentreibstoff anzugeben, der
besser den Anforderungen der Praxis genügt als die bekannten Zünder dieses
Typs und der nicht die oben angeführten Nachteile der bekannten Zünder
aufweist.
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Die vorliegende Erfindung betrifft also einen brennbaren, insbesondere
pyrogenen, Zünder für einen Raketenmotor mit festem Treibstoff mit den Merkmalen
des Anspruchs 1. Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel des Zünders
gemäß der Ertindung ist das Gehäuse aus zwei hälftigen Schalen ausgeführt, die
eine im wesentlichen halbkugelförmige Gestalt aufweisen und wobei jede einen
Montagefortsatz in Gestalt eines im wesentlichen zylindrischen Mantels oder
Schürze aufweist, wobei die quer durchlaufenden Öffnungen in den beiden
Montageschürzen ausgespart sind.
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Außer den oben genannten Einrichtungen umfaßt die Erfindung noch weitere
Einrichtungen, die aus der nachfolgenden Beschreibung klarer hervorgehen
werden.
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Die vorliegende Erfindung und ihre Vorteile, Merkmale und Einzelheiten werden
Ln klarer Weise aus der folgenden Beschreibung hervorgehen, die unter
Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausgeführt ist. Es zeigen:
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Fig. 1 & 2 jeweils einen Verbrennungsraketenmotor für festen
Raketentreibstoff für raumfahrttechnische Anwendungen, wobei der Zünder
abnehmbar ist und mit einem typischen metallischen pyrogenen
Zünder versehen ist, wobei diese beiden Elemente weiter oben
schon beschrieben worden sind,
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Fig. 3 einen Verbrennungsraketenmotor für festen Raketentreibstoff
ebenfalls im Einsatz für raumfahrttechnische Anwendungen, der mit
einem brennbaren Zünder gemäß der vorliegenden Erfindung
ausgerüstet ist, wobei der Zünder an dem Raketentreibstoff
befestigt ist,
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Fig. 4 eine Schnittansicht des Zünders gemäß der Erfindung,
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Fig. 5 eine Seitenansicht des Zünders mit einem teilweise ausgeführten
Schnitt durch den Zünder, der in der Fig. 4 dargestellt ist, und
wobei die Fig. 5 die Anordnung der Schalldüsen zeigt, mit denen
der Zünder versehen ist,
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Fig. 6 eine Detailansicht mit Ausrissen, die die Lage der Kartusche zur
Auslösung der Zündung des Zünders gemäß der Erfindung zeigt
und die eine pyrotechnische Befüllung enthält, die insbesondere aus
BKNO3-Tabletten besteht und mit einem Entflammer für diese
Befüllung zusammenwirkt, die insbesondere aus einer schnell
abbrennenden pyrotechnischen Zündschnur besteht, die unter dem
Namen "HYVELITE" von der amerikanischen Firma McCormack
Selph vertrieben wird,
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Fig. 7 eine Darstellung einer Photographie, die in einer perspektivischen
Weise eine hälftige Schale zeigt, aus der der Zünder gemäß der
Erfindung aufgebaut ist, wobei sie von einer Seite gezeigt wird, die
dazu vorgesehen ist, mit einer zweiten hälftigen Schale aufgebaut zu
werden, und die es so gestattet, die abbrennbare Befüllung des
Zünders sowie die Anordnung der hälftigen Schallröhren zu
erkennen,
wobei diese zusammen mit den anderen hälftigen Schalldüsen,
die auf der anderen Schürze vorhanden sind, die Schalldüsen des
Zünders zu bilden,
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Fig. 8 eine Darstellung einer weiteren Photographie, die die Ausführung
eines Versuchs im Freien zeigt, der dazu vorgesehen ist, das
Verhalten des brennbaren Zünders gemäß der Erfindung in
Umgebungsluftbedingungen zu testen, nachdem er auf einer nackten Platte
Raketentreibstoff befestigt ist, die wiederum auf einem Träger
befestigt ist, (wobei in der Darstellung der Fig. ebenfalls die
Detonationseinrichtung sowie die Schalldüsen zu erkennen sind)
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Fig. 9 eine Reproduktion eines Bildes einer Hochgeschwindigkeitskamera-
Aufnahme, die das Auswerfen von sehr heißem Gas durch die
Schall-Abstrahlrohre zeigt, (wobei das Substantiv "Schall" bzw. das
Adjektiv "sonisch" im wesentlichen die Tatsache widerspiegelt, das
die ausgestoßenen Gase die Schallgeschwindigkeit erreichen. Die
beiden diametral einander gegenüberliegenden Orte, an denen
keinerlei Gasausstoß stattfindet, entsprechen den Orten, an denen
die Zündauslösekartuschen der Zündeinrichtung des Zünders
angeordnet sind)
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Fig. 10 ein Diagramm, in dem die zeitliche Entwicklung des Druckes im
Innern des Zünders sowie im Innern des
Verbrennungsraketenmotors aufgezeigt wird, wobei sie den Meßwerten entspricht, die
während einer gewissen Anzahl von Zündungen von
Verbrennungsraketenmotoren aufgenommen worden sind, die alle mit Prototypen
von Zündern gemäß der Erfindung ausgestattet worden sind, und
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Fig. 11 ein Diagramm, in dem die zeitliche Entwicklung des Druckes in der
Kammer eines für die Raumfahrt bestimmten
Verbrennungsraketenmotors dargestellt ist.
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Die Fig. 3 stellt einen Verbrennungsraketenmotor 100 dar, der für die Raumfahrt
vorgesehen ist und der mit einem brennbaren Zünder 110 gemäß der Erfindung
und mit festem Raketentreibstoff 101 ausgestattet ist.
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Der Zünder 110 (siehe hierzu insbesondere auch Fig. 4) umfaßt ein dünnes
Gehäuse 111 mit im wesentlichen kugelförmiger Gestalt sowie eine abbrennbare
Befüllung 112, die die Gestalt einer auskleidenden Schicht auf der inneren
Oberfläche des Gehäuses 111 annimmt (die ebenfalls brennbar ist) und begrenzt
die Brennkammer 113. Genauer gesagt handelt es sich um einen brennbaren
Block mit zylindrischen Auskragungen.
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Das Material, in dem das Gehäuse 111 des Zünders 110 realisiert ist, ist ein
widerstandsfähiges Material, d.h. welches den Druck und die Hitze, die während
der Zündung erzeugt werden, über einen ausreichenden Zeitraum aushält (wobei
es sich um ein Zeitintervall von 100 bis 200 Millisekunden handelt), wobei das
Material dazu vorgesehen ist, vollkommen verbrannt oder in kleine biegsame
Fragmente zerlegt zu werden oder direkt nach dem Entzünden extrem weich und
biegsam zu werden.
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Bei dem für diese Erfindung vorgesehenen Einsatzbereich besteht das Gehäuse
aus zwei hälftigen Schalen 111a und 111*a, wobei jede Schale über eine im
wesentlichen zylindrische Schürze 111b bzw. 111*b verfügt, die als
Zusammensteckfortsätze ineinander verschachtelbar sind. Natürlich ist die Erfindung nicht
auf den Einsatz von solchen Halbschalen beschränkt, da ja auch andere Formen
ebenfalls angenommen werden können. Die beiden Schalen 111a und 111*a sind
aus einem Verbundwerkstoff hergestellt, d.h aus einem Kunststoffmaterial,
welches mit Verstärkungsfibern verstärkt ist und das insbesondere auf der Basis
eines Gewebes aus Karbonfasern hergestellt ist, welche mit einem geeigneten
Kunstharz imprägniert ist. Dies widerspricht dem Vorurteil in dem Stand der
Technik, welch es sich in der Praxis durchgesetzt hat, nämlich, daß der Fachmann
bis heute Verbundwerkstoffe in diesem Anwendungsbereich nicht einsetzt, weil
sich das technische Problem stellt, daß das Gehäuse des Zünders nicht nur eine
ausreichende Widerstandskraft während der Zündung aufweisen muß, sondern
daß es auch nicht in der an Brennstoff reichen Umgebung in dem Hohlraum des
Verbrennungsraketenmotors verbrennen darf. Der Fachmann hat aber immer
gefürchtet, daß ein Teilstück des Kunststoffmaterials, aus dem sich die
Verbundwerkstoffe aufbauen, die das Gehäuse des Zünders bilden und welche
teilweise geschmolzen sind, eine zeitweise Blockade des oder der Strahlrohre (die
später beschrieben werden) hervorrufen könnte, woraus sich eine Panne des
Verbrennungsraketenmotors entwickeln könnte. Natürlich ist es möglich, daß als
Verstärkungsgewebe irgend ein Gewebe mit irgendwelchen Fasern Verwendung
findet, um das Gehäuse des Zünders 110 zu bilden, solange es fähig ist, sich dem
während der Zündung erzeugtem Druck während eines ausreichend langen
Zeitabschnittes zu widersetzen. Bei der vorliegenden Erfindung wird eine Matrix
aus Kunsthartz eingesetzt obwohl auch andere Harze Verwendung finden können.
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Die besondere Form der Schicht der brennbaren Befüllung 112 ist eine Funktion
der benötigten Entwicklung, um den für die Zündung notwendigen Druck zu
erzeugen.
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Was diese brennbare Befüllung angeht, kann sie aus jedem geeigneten Gemisch
bestehen, mit welchem es möglich ist, die Verbrennung mit der gewünschten
Geschwindigkeit und zudem sehr heiße Verbrennungsgase zu erzeugen.
Darüberhinaus kann die brennbare Befüllung 112 direkt in die hälftigen Schalen 111a
und 111*a eingegossen oder vorgefertigt und anschließend in den Schalen
angeordnet oder schließlich in die Schalen eingelegt und anschließend in die
gewünschte Form gebracht werden. Die Ladung 112 des Zünders schützt den
inneren Abschnitt seines Gehäuses 111 von der Wirkung der heißen
Verbrennungsprodukte, die sich bei der Zündung entwickeln, und tut dies bis zum Ende
des Schrittes des Verbrennens des Zünders.
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Nachdem der innere Abschnitt der zwei Schalen mit dem festen Raketentreibstoff
bedeckt worden ist werden die beiden Schalen zusammengebaut, indem die
zwischen ihnen angeordneten zylindrischen Schürzen 111b und 111*b
zusammengeführt werden, um eine dichte Verbindung zwischen den beiden Schalen zu
erreichen. Dieser Zusammenbau erfordert, daß die beiden Schalen 111a und
111*a mit einer hohen Genauigkeit hergestellt werden, um zu vermeiden, daß
keine wirksame dichte Verbindung zwischen den Schalen hergestellt werden kann
und daß ungewünschte Lecks auftreten.
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Die zylindrischen Schürzen 111b und 111*b der beiden Schalen 111a und 111*a
enthalten mehrere Ausnehmungen 115* (siehe hierfür insbesondere die Fig. 7), die
mit Präzision eingebracht sind und die jeweils paarweise zusammengehören, so
daß während des Zusammenbaus der beiden Schalen jedes Paar von
Ausnehmungen eine quer durchlaufende Öffnung 115 begrenzt. Eine gewisse Anzahl von
diesen Öffnungen 115, die in regelmäßigem Abstand voneinander stehen, sind in
der Fig. 5 zu erkennen. Zwei dieser Öffnungen, 115' und 115" (siehe Fig. 4),
werden dazu benutzt, um Zündeinrichtungen (oder Zündauslöser) zum Zünden
des Zünders 110 einzubringen. Diese sind in der Gestalt von Kartuschen 120
realisiert (siehe Fig. 6), die jeweils eine Befüllung 121 enthalten, die dazu
vorgesehen ist, die brennbare Befüllung 112 des Zünders 110 zu entzünden. Die
anderen Öffnungen 115 werden als Schallrohre eingesetzt. Das mit dem Begriff
sonisch, d.h. der Geschwindigkeit der Gase, einhergehende Merkmal gestattet die
(zumindest anfängliche) Trennung des Brennvorganges des Zünders von dem
Brennvorgang des Verbrennungsraketenmotors 100. Die Anzahl der Öffnungen
115 und ihre Dimensionen sind von dem vorgegebenen Einsatzzweck des Zünders
abhängig. Vor dem Zünden können die Schallrohre oder -düsen 115 von einer (in
den Zeichnungen nicht dargestellten) Membran abgedeckt sein, um das Entstehen
des gewünschten Druckes zu vereinfachen und um dabei das Eindringen von
Feuchtigkeit zu verhindern, auch wenn diese Vorsichtsmaßnahme nicht immer
notwendig ist.
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Das pyrotechnische Gemisch 121, welches in den Kartuschen 120 enthalten ist, ist
brennbar und kann aus BKNO3-Tabletten bestehen, aus einem festen pulvrigen
Raketenbrennstoff, aus Schnitzeln von festem Raketenbrennstoff oder anderen
geeigneten Gemischen. Die Kartuschen 120 weisen eine im wesentlichen
zylindrische Form auf und erstrecken sich in Richtung des Zentrums der Kammer 113
des Zünders 110. Diese Kartuschen umfassen jeweils kleine Öffnungen 122 (siehe
Fig. 6), um die Zündung der brennbaren Befüllung 112 des Zünders zu gestatten.
Die Kartuschen können in einem leicht brennbaren Metall hergestellt sein, wie
Aluminium oder Magnesium, oder aus Verbundwerkstoffen oder jedem sonstigen
geeigneten Material.
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Darüberhinaus sind die Kartuschen mit den zylindrischen Schürzen 111b und
111*b des Gehäuses 111 des Zünders 110 über einen Halskragen 123 (siehe Fig.
6) verbunden. Die Befüllung oder das pyrotechnische Gemisch 121 in den
Kartuschen 120 kann durch eine Zündeinrichtung (oder Entflammer) gezündet
werden, die elektrisch aktiviert wird. Dabei kann es sich um den
Standarddetonator, der von der NASA entwickelt worden ist, oder um analoge Zündauslöser
oder um eine Sprengschnur, wie der Schnur "HYVELITE" 125 des bereits oben
beschriebenen Typs (siehe Fig. 6), oder um sonst ein Mittel der pyrotechnischen
Zündung handeln. Auch wenn in den Ausführungsbeispielen der vorliegenden
Erfindung metallische Kartuschen 120 eingesetzt werden, insbesondere aus
Aluminium, die mit BKNO3-Tabletten gefüllt sind (die in zwei diametral einander
gegenüberliegenden Positionen im im wesentlichen zylindrischen Bereich 111c des
Zünders 110 angeordnet sind: siehe insbesondere Fig. 5, in der das Bezugszeichen
124 eine thermische Isolierung bezeichnet), ist es aber natürlich auch möglich, nur
eine einzige Kartusche oder mehr als zwei Kartuschen einzusetzen. Natürlich ist
auch die Konstruktion und der Aufbau dieser Kartuschen nicht auf die
Verwendung von Aluminium beschränkt und das pyrotechnische Gemisch 121 kann
auch aus jedem geeigneten Material bestehen, wie es bereits oben präzisiert
worden ist.
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Nachdem der Zünder zusammengebaut ist, wird dieser an den Block von
Raketentreibstoffpulver des Verbrennungsraketenmotors 100 geklebt.
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Der Zünder gemäß der Erfindung kann am geeignetsten Platz in dem
Verbrennungsraketenmotor 100 angeordnet werden. Darüber hinaus ist es je nach Bedarf
möglich, eine Vielzahl von Zündern einzusetzen, um den
Verbrennungsraketenmotor 100 zu zünden. Nachdem die pyrotechnische Mischung 121, die sich in den
vorgenannten Kartuschen 120 befindet, durch irgendein bekanntes Mittel und
Verfahren (elektrische Zündung, biegsamer Zünddraht,
Übertragungssprengschnur, Schockwellenzündung, etc.) entzündet worden ist, entzündet sich die
brennbare Befüllung 112, die sich im Innern des Gehäuses 111 des Zünders 110
befindet, auf Grund des Vorhandenseins der heißen Verbrennungsprodukte der
pyrotechnischen Mischung 121. Es entsteht daher ein Druck in der Brennkammer
113, der von dem mit der Befüllung 112 ausgekleideten Gehäuse 111 durch die
Verbrennung eben dieser Befüllung begrenzt wird. Wenn die oben beschriebene
Membrane vorhanden ist, zerreißt diese, wenn der Druck und die Hitze einen
genügend großen Wert erreicht haben. Die Öffnung der Röhren 115 bewirkt dann
das Abfließen der heißen Verbrennungsprodukte entlang dieser Röhren, was es
gestattet, den Raketentreibstoff 101 des Verbrennungsraketenmotors 100 zu
entzünden.
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Diese Vorgänge spielen sich in einem Zeitintervall von weniger als 200
Millisekunden ab, von dem Moment der Zündung des Zünders an bis zu dem Zeitpunkt
gerechnet, in dem der Verbrennungsraketenmotor 100 90 Prozent seines
anfänglichen maximalen Drucks erreicht.
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Der brennbare Zünder gemäß der Erfindung ist in mehreren Freiluftversuchen
eingesetzt worden, um sein Verhalten bei üblichen Umweltumgebungen zu testen.
Zu diesem Zweck sind gemäß den oben beschriebenen Vorgaben aufgebaute
Prototypen des Zünders mit einer nackten Platte Raketentreibstoff verbunden
worden (siehe Fig 8 und 9).
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Anschließend sind die Zünderprototypen allen Tests unterworfen worden, denen
man Zünder unterwirft, die für Raumfahrtanwendungen vorgesehen sind, nämlich
Vibrationstests und zyklischen thermischen Schwankungen.
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Darüberhinaus haben diese Prototypen Dichtigkeitstests und Brenntests
erfolgreich bestanden.
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Schließlich sind Prototypen der Zünder mit Erfolg eingesetzt worden, um eine
Reihe von Verbrennungsraketenmotoren des in dieser Art von Versuchen
benutzten Typs zu zünden.
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Die Fig. 8 zeigt in der Form eines Diagrammes die Aufzeichnung der
Entwicklung des Druckes im Innern des Zünders sowie in der Kammer des
Verbrennungsraketenmotors
(Die Punkte des Diagrammes, die sich auf die Entwicklung
des Innendruckes des Verbrennungsraketenmotors beziehen, sind von kleinen
Rechtecken umgeben, wohingegen die Punkte des Diagrammes, die sich auf die
Entwicklung des Druckes im Innern des Zünders beziehen, von kleinen Dreiecken
umgeben sind).
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Am Ende dieser Tests hat man feststellen können, daß der Zünder vollständig
verbrannt ist und daß er keine Bestandteile des Verbrennungsraketenmotors
beschädigt hat Die Zündzeit belief sich auf ungefähr 150 Millisekunden.
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Schließlich ist ein Prototyp des Zünders gemäß der Erfindung benutzt worden, um
einen mit festem Raketentreibstoff gefüllten Verbrennungsraketenmotor zu
zünden, der weitgehend dem Typ entspricht, der bei Raumfahrtanwendungen
eingesetzt wird, außer daß das Gehäuse des Verbrennungsraketenmotors
metallisch war. Dieser Verbrennungsraketenmotor, der 1598,6 kg festen
Raketentreibstoff enthielt, entwickelte einen mittleren Schub von 37 kN und einen
maximalen Schub von 44,7 kN. Der maximale Druck im Innern des
Verbrennungsraketenmotors betrug 4,03 MPa, während der mittlere Druck bei 3,283 MPa lag.
Die Zündung war fehlerlos verlaufen, die Zündzeit betrug 66 Millisekunden und
erreichte damit einen Wert, der weit unter dem maximal tolerierbaren Wert von
200 Millisekunden lag. Ein Diagramm, welches eine Aufzeichnung der
Entwicklung des Druckes im Innern des mit festem Raketentreibstoff betankten
Verbrennungsraketenmotors bei diesem letztem Test entspricht, ist in der Fig 9
dargestellt.