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Dokumentenidentifikation DE69101322T2 16.06.1994
EP-Veröffentlichungsnummer 0440544
Titel Thermisches Schutzsystem, insbesondere für Raumfahrzeuge.
Anmelder Dassault Aviation, Paris, FR
Erfinder Guibert, Bernard, F-31770 Tournefeuille, FR;
Petiau, Christian, F-78370 Plaisir, FR;
Chaumette, Daniel, F-92150 Suresnes, FR
Vertreter Hauck, H., Dipl.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing., 80336 München; Graalfs, E., Dipl.-Ing., 20354 Hamburg; Wehnert, W., Dipl.-Ing., 80336 München; Döring, W., Dipl.-Wirtsch.-Ing. Dr.-Ing., 40474 Düsseldorf; Siemons, N., Dipl.-Ing. Dr.-Ing., Pat.-Anwälte, 20354 Hamburg
DE-Aktenzeichen 69101322
Vertragsstaaten DE, ES, GB, IT
Sprache des Dokument Fr
EP-Anmeldetag 29.01.1991
EP-Aktenzeichen 914001953
EP-Offenlegungsdatum 07.08.1991
EP date of grant 09.03.1994
Veröffentlichungstag im Patentblatt 16.06.1994
IPC-Hauptklasse B64G 1/58

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein thermisches Schutzsystem für eine Struktur, insbesondere für Raumfahrzeuge.

Die Erfindung hat ihren Ursprung in Arbeiten bezüglich des Schutzes von Raumfahrzeugen während ihres Wiedereintrittes in die Atmosphäre, während der die Temperatur 1000 ºC auf dem größten Teil der äußeren Oberfläche des Fahrzeuges überschreitet. Sie ist auch bei der Konstruktion von Öfen und Einfassungen mit sehr hoher Temperatur anwendbar, sowie bei Flugzeugen großer Geschwindigkeit.

Im Stand der Technik werden Raumfahrzeuge auf mehrere Weisen geschützt:

1) Durch eine wärmeabsorbierende Bedeckung in dem Fall wiederkehrender Kapseln und Körper. Der Abdeckungstyp ist generell nicht mehr als einmal benutzbar.

2) Durch einen äußeren starren Schutz, der von Pflastern aus zusammengeballten Siliciumfasern gebildet wird, die in der Form bearbeitet und auf die zu schützende Struktur geklebt sind. Bei diesem System haben die Siliciumpflaster eine Doppelfunktion der Erhaltung der äußeren aerodynamischen Form und der Isolation. Dieses System ist dasjenige, was bei den derzeit arbeitenden geflügelten Raumfahrzeugen benutzt wird. Indessen weist es bedeutende Nachteile auf. Das benutzte Material ist zerbrechlich und sehr empfindlich gegen Stöße. Es erfordert die Zwischenlage einer nachgiebigen Matte zwischen ihm und der zu schützenden Struktur, um Spannungen zu mindern. Schließlich ist dar Kleben auf die Struktur ein heikles und wenig verläßliches Verfahren. Es resultiert daraus ein System, welches kostspielig im Unterhalt und von einer geringeren Verläßlichkeit ist, als diese wünschenwert wäre.

3) Durch Systeme, in denen die äußere aerodynamische Form durch Kacheln (Ziegeln) oder Abschirmungen aus gegen hohe Temperatur widerstandsfähigem Material aufrechterhalten wird (anfänglich metallische Materialien, sowie Niob, Legierungen von Kobalt, neuerlich keramische oder Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundmaterialien). Unter Kacheln oder Abschirmungen versteht man hier Platten, die eine ebene oder krumme äußere Oberfläche haben, die in der Lage sind, ohne beträchtliche Verformung bedeutsamen mechanischen Beanspruchungen zu widerstehen, wenn sie Temperaturen unterworfen werden, die 1000 ºC überschreiten. Die Blöcke aus zusammengeballten Fasern, die häufig bei Abdeckungen von Öfen für hohe Temperatur benutzt werden, entsprechen offensichlich nicht dieser Definition. Diese Kacheln werden mit der zu schützenden Struktur durch nachgiebige oder gelenkige Träger verbunden, und mittels Fugen voneinander getrennt, die unterschiedliche Dehnungen zwischen den Kacheln und den zu schützenden Strukturen absorbieren können. Eine solche Struktur ist beispielsweise in dar US-A-4 308 309 beschrieben. Zwischen einer äußeren Kachel und der zu schützenden Struktur ist ein thermisches Isolationsmaterial enthalten. Dieses, welches nicht mehr als die Isolation zur Funktion hat, kann sehr leicht sein, beispielsweise ein Isolationsmaterial mit reflektierenden Schirmen.

Zu den schlecht gelösten Problemen bei diesem Stand der Technik gehört die individuelle Demontierbarkeit einer Kachel ohne Zugang zum inneren der zu schützenden Struktur. Im Stand der Technik kann eine solche Demontierbarkeit nur durch Schrauben an der Oberfläche der Kacheln erhalten werden, oder durch Befestigungssysteme, die durch entfernbare Stopfen oder Klappen von der Oberfläche der Kacheln aus zugänglich sind. In allen diesen Fällen hat man mit mechanischen Systemen zu tun, die bei sehr hohen Temperaturen funktionieren müssen und eine zweifelhafte Verläßlichkeit haben.

Überdies besteht bei solchen Systemen im Falle eines Ausströmens durch eine Fuge oder des Ausfalls einer Kachel das Risiko, eine Zirkulation sehr heißer Gase zwischen den Kacheln und der zu schützenden Struktur entstehen zu sehen, mit möglicherweise katastrophalen Folgen.

Man hat in der US-A-4 379 382 vorgeschlagen, auf die Befestigungsmittel von Isolationsblöcken gebildet aus hochwarmfesten Fasern zuzugreifen, indem man die Fasern wegrückt, die danach ihren Platz entweder spontan oder unter einem leichten seitlichen Druck annehmen. Diese Arbeitsweise kann nur zu Kacheln passen, die nicht deformierbar sind.

Die Erfindung hat zum Ziel, die vorstehenden Probleme mit einem System zu lösen, welches überdies einfacher als die meisten der bis hierhin betrachteten Systeme ist.

Um dieses Ergebnis zu erhalten, stellt die Erfindung ein thermisches Schutzsystem für eine Struktur zur Verfügung, gebildet, auf der Seite der hohen Temperatur, von einer Gesamtheit von Kacheln aus hochwarmfestem, starrem und mechanisch gegen hohe Temperatur widerstandsfähigem Material, die nebeneinandergesetzt sind, um eine im ganzen kontinuierliche Oberfläche zu schaffen, wobei elastische Dehnungsfugen (d.h. Fugendichtungen) zwischen der benachbarten Kacheln vorgesehen sind, wobei dieses System als Besonderheit hat, daß die Kacheln an der Struktur mittels mechanischer Befestigungsorgane befestigt sind, die durch Durchgang eines Werkzeuges zwischen zwei benachbarten Kacheln bei Verformung der Dehnungsfuge betätigt werden können.

Einer vorteilhaften Ausführungsform folgend ist die Dehnungsfuge aus zwei Teilen, die jeder formschlüssig mit einer Kachel verbunden sind, wobei die Kontaktoberfläche zwischen den Teilen der Fuge, die von zwei benachbarten Kacheln getragen sind, ungefähr senkrecht zur Oberfläche des Systems auf der Seite der hohen Temperatur ist.

Auf diese Weise ist es möglich, zugleich eine Kachel und den Teil der Fuge, der an ihr anhängt, zu entfernen, ohne eine Beschädigung des Restes der Fuge zu riskieren. Überdies kann, im Fall, daß dieser Teil der Fuge auf der Kachel befestigt ist, ein Zugang zu den Befestigungsorganen gefunden werden, indem man zwischen diesen Teilen der Fuge durchgeht.

Noch vorteilhaftererweise kann jede Kachel von einem kontinuierlichen Ring aus elastischem Material umgeben sein, der auf jeder Seite der Kachel einen Teil der elastischen Dehnungsfuge bildet. So können eine Kachel und ein diese umgehender Ring eine Einheit bilden, die leicht zu handhaben ist.

Vorzugsweise schließt die seitliche Oberfläche der Kacheln bezüglich der Seite mit hoher Temperatur einen Winkel ein, so daß der Zwischenraum zwischen den beiden benachbarten Kacheln an der Seite der warmen Seite enger als an der Seite der zu schützenden Struktur ist. Dies hat als hauptsächlichen Effekt, daß die Fuge während der Benutzung an ihrem Platz gehalten wird.

Ebenfalls vorzugsweise ist es mit durchgehenden Massen von halbstarrem Isolationsmaterial versehen, die senkrecht zu den Dehnungsfugen angeordnet sind, und auf denen sich die Seiten der Kacheln abstützen, die zu der zu schützenden Struktur gewandt sind.

Weiterhin vorzugsweise ist es zwischen den Kacheln und der zu schützenden Struktur mit einer Schicht aus isolierendem Material versehen, die auf der zu schützenden Struktur befestigt und in der Lage ist, im Falle eines Verlustes einer Kachel auf ihrem Platz zu verbleiben. Das Halten dieses Isolationsmaterials kann beispielsweise durch Kleben erreicht werden.

Was die Form der Kachel betrifft, kann man vorsehen, daß die seitliche Fläche einer Kachel einen Hohlraum aufweist, der von einer Fläche ungefähr parallel zu den Hauptflächen der Kachel begrenzt ist, die vorgesehen ist, um als Anlage für ein Befestigungsorgan zu dienen, wobei sich die Tiefe des Hohlraumes in Richtung der Seite hoher Temperatur vermindert.

Man kann außerdem vorsehen, daß die Kachel einen Fuß trägt, der eine seitliche Fläche in Richtung auf die zu schützende Oberfläche verlängert, wobei dieser Fuß selber einen Anlageteil für ein Befestigungsorgan trägt. Diese Anordnung, die ein wenig schwieriger zu erhalten ist als die vorstehende, hat den Vorteil, die demontierbaren Befestigungsmittel maximal von der Zone hoher Temperatur wegzurücken.

Einer anderen Ausführungsweise folgend, die maximal die Erzeugung der Kacheln vereinfacht, aber weniger gut an hohe Temperaturen angepaßt werden kann, trägt die Kachel auf nicht demontierbare Weise Befestigungsmittel auf ihrer Seite, die zu der zu schützenden Struktur gewandt ist, wobei die Befestigungsmittel in einer Richtung parallel zu den Hauptseiten der Kachel mit einem Teil vorspringen, der bestimmt ist, mit einem demontierbaren Befestigungsorgan zusammenzuarbeiten.

Die Erfindung wird nun detaillierter mit Hilfe von praktischen Beispielen erläutert, die mit Hilfe von Zeichnungen dargestellt werden, in denen:

Fig. 1 eine Perspektivansicht mit einem herausgebrochenen Teil eines erfindungsgemäßen Systems ist.

Fig. 2 eine Perspektivansicht eines Details der Befestigung einer Kachel ist.

Fig. 3 ein quergerichteter Teilschnitt einer Fuge außerhalb einer Befestigung ist.

Fig. 4 und 5 Perspektivansichten von zwei Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Kacheln sind, wobei die warme Seite sichtbar ist.

Fig. 6 ein Teilschnitt einer anderen erfindungsgemäßen Kachel ist.

Das Basiselement wird von einer Kachel (Ziegel) 1 gebildet, wovon zumindest die warme Seite 2 und die Seitenwände 3 aus einem strukturellen Material sind, welches mechanisch hohen Temperaturen widersteht, und welches im beschriebenen Beispiel ein keramischer Verbund mit Karbonfasern eingebettet in einer Matrix aus Siliciumkarbid ist. Die Kachel ist hier in vierkantiger Form dargestellt, aber andere polyedrische Formen wären anwendbar.

Der Raum zwischen den Flanken 3 der benachbarten Kacheln ist mit einer nachgiebigen Fuge 4 gefüllt, die von hochwarmfesten Fasern und Geweben gebildet sein kann, beispielsweise aus Siliciumkarbidfasern. Die Kacheln halten zwischen sich und der zu schützenden Struktur 5 ein Isolationsmaterial 5 an seinem Platz und sind auf demontierbare Weise durch eine Befestigung 7 mit der Struktur 6 an Punkten verbunden, die an der Basis der Seitenwände 3 angeordnet sind, entweder direkt auf einem Einschlag der Seitenwand dargestellt in Fig. 2, oder an kleinen Beschlägen, die selber an der Seitenwand mittels nicht demontierbarer Befestigungen befestigt sind (siehe Fig. 6).

Die Fig. 2 zeigt die Einzelheit der Befestigung 7, die eine Schraube 8 umfaßt, welche mit einem System für Unverlierbarkeit 9 versehen ist, und die sich in einen Bügel- Träger 10 (beispielsweise aus hochwarmfestem Stahl) schraubt, der mittels Schrauben 11 an der zu schützenden Struktur 6 mit Zwischenlage von isoliererden Unterlagen 12 verbunden ist. Die unverlierbare Schraube 8 ist mittels eines Werkzeuges zugänglich, welches durch Verformung durch die nachgiebige Fuge tritt.

Die Schraube 8 nimmt Anlage auf einem Rand 13 der Kachel 1, wovon die äußere Form besser in der Fig. 4 sichtbar ist. Dieser Rand ist an der Seite der Seitenwand angeordnet, die gegenüber der warmen Seite 2 ist. Durch diese Konfiguration ist es möglich, das demontierbare Befestigungselement 8 in einer mittleren Temperaturzone zwischen der äußeren Oberfläche von mehr als 1000 ºC und der inneren zu schützenden Struktur, wovon die Maximaltemperatur typischerweise noch 175 ºC beträgt, anzuordnen. Aufgrund dieser Tatsache kann man eine konventionelle Verschraubung benutzen, beispielsweise aus hochwarmbeständigem Stahl, entsprechend einer verläßlichen und eprobten Technik, insbesondere bei Flugzeugmotoren.

Es ist festzustellen, daß die Befestigung durch Schrauben gegenüber anderen mechanischen Systemen vorzuziehen scheint, beispielsweise wären Bolzen oder Klipse benutzbar, wobei diese Bolzen oder Klipse mit der Seitenwand der Platte zu verbinden und mittels eines Werkzeuges zu betätigen wären, welches die Fuge zwischen den Platten durchtritt.

Die Fig. 3 stellt einen Querschnitt der Fuge zwischen zwei benachbarten Kacheln außerhalb der Befestigung 7 dar. Man sieht dort die beiden Kacheln 1A und 1B. Die Kacheln sind jede von einer dünnen, starrren "Schale" 14 gebildet, aus hochwarmbeständigem, widerstandsfähigem Material, hier einem keramischen Verbund, der die warme Seite 2 und die Seitenwände 3A und 3B bildet. Die Seitenwände schließen einen Winkel von ungefähr 5º mit der Senkrechten auf die warme Seite ein, so daß der Abstand zwischen den benachbarten Kacheln zunimmt, wenn man sich von der warmen Seite entfernt. Der Rand 13 ist, entgegen diesem Abstand, von der Schale an der gegenüberliegenden Seite der warmen Seite geformt. Das innere der Kachel enthält eine Füllung 15 aus Material mit hohen isoliereigenschaften, d.h., hier einem Material mit reflektierenden Schirmen aus keramischen Blättern mit metallischer Auflage.

Die Dehnungsfuge 4 besteht aus zwei Halbfugen 4A, 4B, die jede aus einem elastischen Gewebe von hochwarmfesten Fasern sind. Die Kontaktoberfläche 16 zwischen den beiden Halbfugen ist senkrecht zur warmen Seite. Jede Halbfuge 4A, 4B ist Teil eines geschlossenen Ringes, der die Kachel umgibt und ist auf dieser dankt der Neigung der Seitenwände und der Anwesenheit des Randes gehalten. Dies erlaubt, eine einzige Kachel in der Mitte einer Anordnung zu demontieren, ohne nur teilweise die andere demontieren zu müssen.

Ein kleiner Stab aus halbstarrem Isolationsmaterial 17 ist auf die Struktur 6 geklebt und unterstützt die Seitenwand der Platten 1A und 1B. Dieser Stab erlatbt, in Verbindung mit den Seitenwänden der Kacheln, eine Zirkulation von heißen Gasen unterhalb der Kacheln parallel zu der Oberfläche zu verhindern. Er wirkt auch, um den Eintritt von heißen Gasen zu begrenzen, indem er eine zweite Dichtheitsbarriere zwischen den Fugen 4 zwischen den Platten bildet.

Interne Isolationsmaterialien 18 sind zwischen den Stäben 17, den Kacheln 1A, 1B und der zu schützenden Struktur 6 gehalten, und bilden mit den Stäben 17 die Isolationsschicht 5, welche die Kacheln der zu schützenden Struktur trennt.

Um die Sicherheit selbst im Falle eines Verlustes einer Kachel zu garantieren, ist es notwendig, einen Teil des Isolationsmaterials an seinem Platz zu erhalten. Dies ist in diesem Konzept auf verschiedene Weisen möglich: Indem man für jedes oder einen Teil der internen Isolationsmaterialien 18 ein mechanisch sehr widerstandsfähiges Material (beispielsweise ein Matelasse- oder Doppelgewebs-Isolationsmaterial) und geklebt oder geschraubt auf die zu schützende Struktur benutzt, oder indem man ein internes Isolationsmaterial 18 mittels eines Vlieses oder einer hochwarmbeständigen Platte 19, in dem Beispiel einem Gewebe aus Siliciumkarbid, festhält, gespannt an der Grenzfläche zwischen der Kachel und dem inneren Isolationsmaterial und am Platz durch die Stäbe 17 und die Kacheln benachbart zu der verlorenen Platte gehalten.

Die Fig. 4 zeigt die äußere Form der Kachel 1 der Fig. 1. Sie zeigt auf den Flanken 3 einen Rand 13. An der Stelle des Loches 20 für den Durchgang der Schraube 8 zeigt die Seitenwand der Platte einen Hohlraum 21 in Form eines Konusabschnittes, dessen Basis sich auf dem Rand 13 befindet und der nicht die warme Fläche 2 dez Kachel erreicht. Man versteht, daß dieser Hohlraum dazu dient, das Plazieren oder das Lösen der Schraube 8 zu erleichtern. Der Rand 13 kann allein an der Stelle des Hohlraumes 21 vorgesehen sein, aber man zieht vor, ihn ganz um die Kachel herum anzuordnen, um besser den Ring zu halten, der die elastische Fuge bildet.

Die Fig. 5 zeigt eine andere Verwirklichung der Kachel. Diese zeigt Füße 30, die die Flanken gegenüber der warmen Seite 2 verlängern. Die Füße tragen Anlageoberflächen 31 in Form von leicht bezüglich der Hauptseiten der Kacheln geneigten und ein Loch 20 für den Durchgang der Schraube 8 aufweisenden Plättchen. Man kann sich vorstellen, daß dies geringeren Wärmespannungen unterworfen sein wird, als im Fall der Fig. 4.

Die Fig. 6 zeigt eine andere Variante:

Beschläge 40 aus hochwannfestem Stahl in Form von Winkeleisen sind auf bestimmte Weise mit einem Flügel auf der inneren Oberfläche der Seitenwand 3 mit Hilfe einer Schraube 41 befestigt. Der andere Flügel dient als Anlagefläche 42 für die Schraube 8 und trägt das entsprechende Loch 20. Der Rand 13 kann in diesem Fall weggelassen werden, wie in der Figur gezeigt, oder in hier Bedeutung vermindert werden.

Abgesehen von dieser letzten Modalität ist die Erfindung in dem Fall anwendbar, in dem die Kachel 1 ein massives Stück ist. In diesem Fall können, wenn man bestimmte Beschläge zu benutzen wünscht, diese ebene Eisen sein, die auf der kalten Seite der Kachel befestigt sind.


Anspruch[de]

1. Thermisches Schutzsystem für eine Struktur, gebildet, auf der Seite der hohen Temperatur, von einer Gesamtheit von Kacheln (1) aus hochwarmfestem, starrem und mechanisch gegen hohe Temperatur widerstandsfähigem Material, die nebeneinandergesetzt sind, um eine im Ganzen kontinuierliche Oberfläche zu schaffen, wobei elastische Dehnungsfugen (4) zwischen den benachbarten Kacheln vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Kacheln (1) an der Struktur mittels mechanischer Befestigungsorgane (7) befestigt sind, die durch Durchgang eines Werkzeuges zwischen zwei benachbarten Kacheln bei Verformung der Dehnfuge betätigt werden können.

2. System gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dehnungsfuge (4) aus zwei Teilen (4A, 4B) ist, die jeder formschlüssig mit einer Kachel verbunden sind, wobei die Kontaktoberfläche (16) zwischen den Teilen der Fuge, die von zwei benachbarten Kacheln getragen sind, ungefähr senkrecht zur Oberfläche des Systems auf der Seite der hohen Temperatur ist.

3. System gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Kachel (1) von einem kontinuierlichen Ring aus elastischem Material umgeben ist, der auf jeder Seite der Kachel einen Teil der elastischen Dehnfuge (4A, 4B) bildet.

4. System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die seitliche Oberfläche (3) der Kacheln bezüglich der Seite mit hoher Temperatur einen Winkel einschließt, so daß der Zwischenraum zwischen den beiden benachbarten Kacheln an der Seite der warmen Seite enger als an der Seite der zu schützenden Struktur ist.

5. System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß es mit durchgehenden Massen (17) von halbstarrem Isolationsmaterial versehen ist, die senkrecht zu den Dehnungsfugen angeordnet sind, und auf denen sich die Seiten der Kacheln abstützen, die zu der zu schützenden Struktur gewandt sind.

6. System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß es zwischen den Kacheln und der zu schützenden Struktur mit einer Schicht aus isolierendem Material (18) versehen ist, die auf der zu schützenden Struktur befestigt und in der Lage ist, im Falle eines Verlustes einer Kachel auf ihrem Platz zu verbleiben.

7. System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die seitliche Fläche einer Kachel einen Hohlraum aufweist, der von einer Fläche ungefähr parallel zu den Hauptflächen der Kachel begrenzt ist, die vorgesehen ist, um als Anlage für ein Befestigungsorgan zu dienen, wobei sich die Tiefe des Hohlraumes in Richtung der Seite hoher Temperatur vermindert.

8. System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kachel einen Fuß (30) trägt, der eine seitliche Fläche in Richtung auf die zu schützende Oberfläche verlängert, wobei dieser Fuß selber einen Anlageteil (31) für ein Befestigungsorgan trägt.

9. System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kachel Befestigungsteile (40) trägt, die auf eine nicht demontierbare Weise auf ihrem Teil befestigt sind, welcher der zu schützenden Struktur am nächsten ist, wobei die Befestigungsstücke in einer Richtung parallel zu den Hauptseiten der Kachel mit einem Teil (42) vorspringen, der bestimmt ist, mit einem demontierbaren Befestigungsorgan zusammenzuarbeiten.

10. System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanischen Befestigungsorgane eine unverlierbare Schraube (8) aufweisen, die auf der seitlichen Seite einer Kachel befestigt sind, in der Nähe ihrer der zu schützenden Struktur zugewandten Seite, und die mit einem Befestigungsstück (10) zusammenwirkt, welches mit der Struktur formschlüssig verbunden ist.







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