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Dokumentenidentifikation DE4340002C1 11.05.1995
Titel Befestigung einer thermischen Isolationsstuktur
Anmelder Deutsche Aerospace AG, 80804 München, DE
Erfinder Heinze, Horst, 83620 Feldkirchen-Westerham, DE;
Runge, Axel, 85521 Ottobrunn, DE
DE-Anmeldedatum 24.11.1993
DE-Aktenzeichen 4340002
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 11.05.1995
Veröffentlichungstag im Patentblatt 11.05.1995
IPC-Hauptklasse B64G 1/58
IPC-Nebenklasse F16L 59/12   
Zusammenfassung Befestigung der thermischen Isolationsstruktur an der Zelle eines Flugkörpers, wobei die Isolationsstruktur aus einer Vielzahl von hochhitzebeständigen, mechanisch stabilen, ggf. mit einer zusätzlichen Fugenabdichtung versehenen Panels besteht, mit mehreren voneinander beabstandeten, eine formschlüssige Verbindung zwischen Isolationsstruktur und Zelle herstellenden Befestigungspunkten je Panel. Die Befestigung weist einen ersten Befestigungspunkt auf, welcher keine Bewegung oder eine zumindest begrenzte Drehbewegung des Panels um eine zur Zellenoberfläche senkrechte Achse zuläßt, einen zweiten Befestigungspunkt, welcher eine begrenzte, lineare Verschiebung des Panels parallel zur Zellenoberfläche zuläßt, und mindestens einen weiteren Befestigungspunkt, welcher eine begrenzte, allseitige Verschiebung des Panels zuläßt.
Der erste Befestigungspunkt ist als selbstverriegelnde, von der Paneloberfläche her lösbare Steck- und Schnappverbindung mit einem Anschlußbolzen, einem diesen aufnehmenden Anschlußelement und einem diese beiden Teile verriegelnden Federelement ausgeführt.
Alle weiteren Befestigungspunkte sind als Steckverbindungen ausgeführt mit gleicher Steckrichtung für alle Befestigungspunkte.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Befestigung einer thermischen Isolationsstruktur an der Zelle eines Flugkörpers gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Isolationsstrukturen, welche aus einer Vielzahl von hochhitzebeständigen, mit der Zelle eines Fluggerätes zu verbindenden Paneels bestehen, sind beispielsweise vom amerikanischen Space Shuttle-Programm her bekannt. Beim Wiedereintritt in die Atmosphäre werden einzelne Paneels oder auch Paneelfelder durch thermische und strömungsmechanische Einflüsse so stark beschädigt, daß sie vor dem nächsten Start ausgewechselt werden müssen. Dieser Austausch ist, bedingt durch die bisher verwendeten Befestigungsarten, z. B. Kleben, sehr zeit- und kostenintensiv. Abgesehen von dem Kriterium der Austauschbarkeit/Reparaturfähigkeit ist zu beachten, daß die Befestigung der Paneels an der Zelle extrem widerstandsfähig und zuverlässig sein muß, um den hohen strömungsmechanischen Belastungen in gewissen Flugphasen standzuhalten. Andererseits soll sie thermisch bedingte Ausdehnungs- und Kontraktionsbewegungen der Paneels zulassen, ohne dabei unerwünschte Kräfte und Spannungen zu erzeugen. Weiterhin wird angestrebt, daß die Befestigungselemente vor hohen thermischen Belastungen bestmöglich geschützt werden.

Aus der US-PS 4 344 591 ist eine formschlüssige Steckbefestigung bekannt, welche jedes Paneel mit dem nächsten Paneel und mit der Zelle des Flugkörpers verbindet. Zu diesem Zweck weist jedes Paneel stirnseitig zwei vorstehende Zungen auf, welche in Laschen an der Zelle sowie in Ausnehmungen des nächsten Paneel eingreifen. So lassen sich beispielsweise in Umfangsrichtung des Flugkörperrumpfes Paneelreihen erzeugen, wobei das erste bzw. das letzte Paneel einseitig einer gesonderten Befestigung bedarf. Dabei ist vorteilhaft, daß sich die Befestigungselemente, mit Ausnahme der einen Endbefestigung, im thermisch geschützten Bereich unterhalb der Isolation befinden. Es ist jedoch offensichtlich, daß sich hier keine einzelnen Paneels austauschen lassen, sondern nur Paneelreihen bzw. zusammenhängende Teilbereiche von Paneelreihen. Weiterhin ist eine spielfreie Befestigung der Paneels ohne Behinderung ihrer thermischen Längenänderungen auf diese Weise praktisch nicht möglich.

Aus der EP-OS 0 214 893 ist eine thermische Isolationsstruktur für Luft- und Raumfahrzeuge bekannt, welche aus in Abstand zur Zellenoberfläche befestigten, biege- und torsionsweichen, hitzefesten Blechstreifen sowie aus darunter angeordnetem, ggf. separat an der Zelle befestigtem Isolationsmaterial besteht. Diese Struktur hat den Nachteil, daß sie aufgrund ihrer dünnen, metallischen Oberfläche nicht für extrem hohe Temperaturbelastungen verwendbar ist. Weiterhin reichen die Befestigungselemente, d. h. die Schrauben, Stützstege etc., bis in den heißen Oberflächenbereich, was zwar die Reparaturfähigkeit verbessert aber die Sicherheit und Zuverlässigkeit sehr nachteilig beeinflußt.

Angesichts der Nachteile dieser bekannten Lösungen besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine formschlüssige Befestigung für eine aus einer Vielzahl von hochhitzebeständigen, stabilen Paneels bestehende Isolationsstruktur zu schaffen, welche besonders sicher und zuverlässig sowie konstruktiv einfach ist, welche keine bzw. nur unwesentliche Zwangskräfte auf die Paneels ausübt und dabei eine im wesentlichen spielfreie Verbindung schafft und welche besonders montage- und reparaturfreundlich ist, wobei auch einzelne Paneels im Verbund ausgetauscht werden können.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Die Erfindung schafft eine statisch bestimmte oder statisch nur wenig überbestimmte Verbindung zwischen den Paneels und der Zelle, welche keine oder nur vernachlässigbar kleine Zwangskräfte erzeugt und die Paneels in definierter Lage fixiert. Dafür sind je Paneel mindestens drei Befestigungspunkte vorgesehen, wovon der erste in seinem Bereich keine Bewegung des Paneels oder eine zumindest begrenzte Drehbewegung, der zweite Befestigungspunkt örtlich eine begrenzte lineare Verschiebung, der dritte und jeder weitere Befestigungspunkt örtlich eine begrenzte allseitige Verschiebung des Paneels ermöglichen. Das Zusammenwirken dieser Punkte ergibt die gewünschte, eindeutige Lagefixierung jedes Paneels. Der erste Befestigungspunkt ist als selbstverriegelnde und von der Paneelaußenseite her lösbare Steck- und Schnappverbindung ausgeführt, alle weiteren Befestigungspunkte als Steckverbindungen. Der erforderliche thermische Dehnspalt zwischen den Paneels (Paneeloberseite: max. 1000°C/Zellenwandung: max. 200°C) ermöglicht das Lösen der Schnappverbindung mittels Spezialwerkzeug und das Verschieben der Paneels. Dieser Spalt wird im Betrieb mit einer zusätzlichen Fugenabdichtung (flexibler Gap Filler) überbrückt.

Die Unteransprüche 2 bis 4 enthalten bevorzugte Ausgestaltungen der Befestigung nach Anspruch 1.

Die Erfindung wird anschließend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen in vereinfachter Darstellung:

Fig. 1 eine Ansicht eines Befestigungspunktes mit lösbarer Steck- und Schnappverbindung von der Zellenseite her,

Fig. 2 einen Teilschnitt gemäß dem Verlauf II-II in Fig. 1,

Fig. 3 eine Ansicht eines Befestigungspunktes mit einer begrenzt linear beweglichen Steckverbindung von der Zellenseite her,

Fig. 4 eine Ansicht eines Befestigungspunktes mit einer begrenzt allseitig beweglichen Steckverbindung von der Zellenseite her und

Fig. 5 einen Teilschnitt gemäß dem Verlauf V-V in Fig. 4,

Fig. 6 eine Teilansicht der strömungsbeaufschlagten Außenfläche eines Paneelverbundes,

Fig. 7 einen Teilschnitt gemäß dem Verlauf VII-VII in Fig. 6 in größerem Maßstab sowie um 45° gedreht.

Zum besseren Verständnis der Figuren sei gesagt, daß diese drei Eckbereiche eines quadratischen, ebenen Paneels 6 zeigen, dessen vier Stirnflächen bezüglich der Paneelober- und -unterseite schräg angeordnet sind. Zwei aneinandergrenzende Stirnflächen stehen in stumpfem Winkel zur Paneelunterseite 7 (siehe Fig. 1, 2, 4, 5), die übrigen beiden Stirnflächen in spitzem Winkel zur Paneelunterseite 7 (siehe Fig. 3, 4, 5). Unter Berücksichtigung der Strömungsverhältnisse an dem thermisch zu schützenden Flugkörper werden die Paneels 6 prinzipiell so ausgerichtet, daß die zwischen den Paneelstirnflächen vorhandenen Fugen bzw. Spalte an der umströmten Heißgasseite durch die an zwei Seiten jedes Paneels überstehende Deckschicht schindelartig überlappt sind und mit einer Richtungskomponente in Strömungsrichtung, d. h. schräg in Strömungsrichtung, münden. Dadurch wird ein Eindringen von Heißgasen in die Spalte wirksam verhindert.

Dem Fachmann ist klar, daß die Paneels - abweichend von der dargestellten, einfachen Geometrie - auch ein- oder zweidimensional gekrümmt und weitgehend beliebig geformt sein können, z. B. auch als wabenartige Sechsecke. Dies ändert aber nichts an der Anwendbarkeit der vorliegenden Erfindung.

Die Fig. 1 und 2 zeigen den Befestigungspunkt 1, welcher den Fixpunkt der gesamten Anordnung bildet, und über welchen das Paneel 6 arretiert oder gelöst werden kann. An der Paneelunterseite 7 ist hierfür eine Anschlußbrücke 13 befestigt, z. B. mittels Lötung, welche einen einseitig offenen Führungsschlitz 16 mit Einführfase 18 aufweist. Seitens der Zelle 4 ist als Gegenstück hierzu ein Anschlußbolzen 8 vorhanden, dessen Einstich 10 weitgehend spielfrei in den Führungsschlitz 16 paßt. Die lösbare Verriegelung erfolgt durch die Blattfeder 23, welche mit ihrer Bohrung 24 den Anschlußbolzen 8 formschlüssig umgibt und welche über den fest mit ihr verbundenen Nietstift 25 in der Bohrung 21 der Anschlußbrücke 13 fixiert ist. Somit verbleibt als kinematischer Freiheitsgrad nur die Drehbeweglichkeit des Anschlußbolzens 8 in der Bohrung 24 und im Führungsschlitz 16. Das freie Federende 28 reicht bis in den Spaltbereich an der Paneelecke (das angrenzende Paneel ist nicht dargestellt) und kann zur Entriegelung mittels eines passend geformten Werkzeuges 29 zur Zelle 4 hin heruntergedrückt werden. Die Überlappungsecke der Deckschicht 30 wird zuvor aufgebogen, um die Zugänglichkeit für das Werkzeug 29 zu ermöglichen. Dadurch kommt der Nietstift 25 außer Eingriff, und die Anschlußbrücke 13 mit dem Paneel 6 kann verschoben werden, bis der Führungsschlitz 16 vom Anschlußbolzen 8 freikommt. Dann kann das Paneel 6 nach oben aus dem Verbund entnommen werden. Umgekehrt erfolgt die Paneelmontage mit bereits in die Anschlußbrücke 13 eingerasteter Blattfeder 23. Während der Führungsschlitz 16 der Anschlußbrücke 13 über den Einstich 10 des Anschlußbolzens 8 geschoben wird, drückt der Bolzenkopf den rampenförmigen Abschnitt 26 der Blattfeder 23 elastisch nach oben, bis der Anschlußbolzen 8 mit der Bohrung 24 fluchtet und die Blattfeder 23 herunterschnappt in die Position gemäß Fig. 2. Bei diesen Vorgängen wird der Abschnitt 27 der Blattfeder 23 in einem Paßschlitz 20 der Anschlußbrücke 13 exakt geführt, so daß keine ungewollte Verdrehung der Blattfeder 23 um die Achse des Nietstiftes 25 möglich ist. Zum Entfernen eines ohnehin beschädigten Paneels spielt es keine Rolle, wenn die betreffende Paneelecke aufgebogen bzw. gezielt abgetrennt wird, ohne jedoch den Befestigungspunkt selbst zu beschädigen.

Fig. 3 zeigt den Befestigungspunkt 2 an der dem Befestigungspunkt 1 diametral gegenüberliegenden Ecke des Paneels 6. Die konstruktive Ausführung unterscheidet sich von der zuerst beschriebenen im wesentlichen nur dadurch, daß die Blattfeder als Verriegelungselement fehlt. Die Anschlußbrücke 14 weist hier ebenfalls einen Führungsschlitz 17 mit Einführfase 19 für den Einstich 11 des Anschlußbolzens 9 auf. Durch das Fehlen der Verriegelung ist hier zusätzlich zur Drehung des Anschlußbolzens 8 eine begrenzte lineare Verschiebung in Längsrichtung des Führungsschlitzes möglich. Auf diese Weise werden Zwangskräfte durch unterschiedliche Längenänderungen von Paneel 6 und Zelle 4 vermieden.

Betrachtet man die verbindende Paneeldiagonale mechanisch als statisch bestimmt gelagerten Balken, so bildet Befestigungspunkt 1 das Festlager, Befestigungspunkt 2 das Loslager des Balkens.

Die Fig. 4 und 5 zeigen einen weiteren Befestigungspunkt 3, welcher je einmal in den beiden verbleibenden Paneelecken vorhanden ist. Jeder Befestigungspunkt 3 umfaßt panelseitig eine Anschlußbrücke 15 mit einer vom Paneel 6 beabstandeten Gleitfläche 22 sowie zellenseitig eine die Gleitfläche 22 kontaktierende Anschlußklinke 12, deren Kontaktfläche vorzugsweise ballig ausgeführt ist. Somit begrenzt jeder Befestigungspunkt 3 lediglich eine lineare Bewegung des Paneels 6 senkrecht von der Zellenoberfläche weg. Alle anderen linearen und rotatorischen Bewegungen des Paneels 6 werden nicht behindert. Anders ausgedrückt verhindert jeder Befestigungspunkt 3 eine Kippbewegung des Paneels 6 um die die Befestigungspunkte 1 und 2 verbindende Achse in jeweils eine Richtung.

Es ist auch möglich, die beiden Befestigungspunkte 3 durch einen einzigen zu ersetzen, indem man diesen doppeltwirkend ausführt, so daß er sowohl eine Annäherung als auch eine Distanzierung von Paneel und Zelle verhindert. Auch dieser Befestigungspunkt sollte einen ausreichend großen Abstand von der Verbindungsachse der Befestigungspunkte 1 und 2 aufweisen.

Die Fig. 6 und 7 verdeutlichen das Prinzip des Paneelverbundes und der Fugenabdichtung.

Fig. 6 zeigt eine senkrechte Draufsicht (nicht perspektivisch!) auf die strömungsbeaufschlagte Außenfläche des Paneelverbundes, wobei vier schräg zur Blickrichtung geneigte Stirnflächen von drei Paneels sichtbar dargestellt sind, d. h. ohne die sich nach unten anschließenden, weiteren Paneels.

Die Lage der vier verdeckt unterhalb des Paneels 6 liegenden Befestigungspunkte ist mit teilgeschwärzten Kreisen sowie mit den Bezugszeichen 1, 2, 3, 3 angedeutet. Es ist zu erkennen, daß die Deckschicht 30 jedes Paneels 6 nach links und rechts oben über die jeweilige, schräge Stirnfläche vorsteht, so daß sich eine schindelartige Überlappung über den Dehnfugen ergibt. Dadurch entsteht eine geschlossene, weitgehend glatte Strömungsoberfläche. Oberhalb des Befestigungspunktes 1 ist eine strichpunktierte, horizontale Linie gezeigt. Zum Lösen des Paneels wird die oberhalb dieser Linie liegende Ecke der Deckschicht 30 aufgebogen, damit das Werkzeug zum Entriegeln der Befestigung in die Fuge gesteckt werden kann.

Fig. 7 zeigt, daß in der Fuge unterhalb der Überlappung 31 eine elastisch nachgiebige Fugenabdichtung 32 als zusätzliche Strömungssperre angeordnet ist. Zwischen die Zelle 4 und die Paneels ist ein elastischer Filz 33 eingelegt, welcher eine definierte Stützkraft von unten auf die Paneels ausübt und in Verbindung mit den Befestigungspunkten als Schwingungsdämpfer wirkt.


Anspruch[de]
  1. 1. Befestigung einer thermischen Isolationsstruktur an der Zelle eines Flugkörpers, insbesondere eines Raumflugkörpers mit Wiedereintritt in die Atmosphäre, wobei die Isolationsstruktur aus einer Vielzahl von hochhitzebeständigen, mechanisch stabilen, ggf. mit einer zusätzlichen Fugenabdichtung versehenen Paneels besteht, mit mehreren voneinander beabstandeten, eine formschlüssige Verbindung zwischen Isolationsstruktur und Zelle herstellenden Befestigungspunkten je Paneel, gekennzeichnet durch einen ersten Befestigungspunkt (1), welcher keine Bewegung des Paneels (6) oder eine zumindest begrenzte Drehbewegung des Paneels (6) um eine zur Zellenoberfläche (5) oder zu einer örtlichen Tangentialebene der Zellenoberfläche senkrechte oder annähernd senkrechte Achse zuläßt, durch einen zweiten Befestigungspunkt (2), welcher eine begrenzte, lineare Verschiebung des Paneels (6) parallel oder annähernd parallel zur Zellenoberfläche (5) zuläßt, durch mindestens einen weiteren Befestigungspunkt (3), welcher eine begrenzte, allseitige Verschiebung des Paneels (6) parallel oder annähernd parallel zur Zellenoberfläche (5) zuläßt, durch eine Ausführung des ersten Befestigungspunktes (1) als selbstverriegelnde, von der heißgasbeaufschlagten Paneeloberfläche her lösbare Steck- und Schnappverbindung mit einem Anschlußbolzen (8), mit einem diesen aufnehmenden Anschlußelement (Anschlußbrücke 13) und mit einem diese beiden Teile starr oder zumindest begrenzt drehbeweglich verriegelnden Federelement (Blattfeder 23) und durch eine Ausführung der weiteren Befestigungspunkte (2, 3) als Steckverbindungen, wobei die Steckrichtung für alle Befestigungspunkte gleich ist.
  2. 2. Befestigung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Ausführung des ersten Befestigungspunktes (1) mit einem zellenfesten, einen Einstich (10) aufweisenden Anschlußbolzen (8), mit einer paneelfesten Anschlußbrücke (13), welche in Abstand zur Paneelunterseite (7) einen Führungsschlitz (16) mit Einführfase (18) für den Einstich (10) des Anschlußbolzens (8) aufweist, mit einer bezüglich ihres Längsverlaufes mehrfach gebogenen Blattfeder (23), welche eine Bohrung (24) zur Aufnahme des Anschlußbolzens (8) sowie einen von der Bohrung (24) beabstandeten Nietstift (25), zwei von diametralen Seiten rampenförmig geneigt zur Bohrung (24) hin verlaufende Abschnitte (26, 27) und ein sich bis in den Fugenbereich der Paneels (6) erstreckendes, freies Federende (28) aufweist, mit einer Bohrung (21) in der Anschlußbrücke (13) zur Aufnahme des Nietstiftes (25) der Blattfeder (23) und mit einem Paßschlitz (20) in der Anschlußbrücke (13) zur Durchführung und Verdrehsicherung der Blattfeder (23).
  3. 3. Befestigung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Ausführung des zweiten Befestigungspunktes (2) mit einem zellenfesten, einen Einstich (11) aufweisenden Anschlußbolzen (9) und mit einer paneelfesten Anschlußbrücke (14), welche in Abstand zur Paneelunterseite (7) einen Führungsschlitz (17) mit Einführfase (19) für den Einstich (11) des Anschlußbolzens (9) aufweist, sowie durch eine Ausführung jedes weiteren Befestigungspunktes (3) mit einer zellenfesten Anschlußklinke (12) und mit einer paneelfesten Anschlußbrücke (15), welche eine die Anschlußklinke (12) kontaktierende Gleitfläche (22) aufweist.
  4. 4. Befestigung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, für eine thermische Isolationsstruktur mit viereckigen, insbesondere quadratischen oder rautenförmigen Paneels, gekennzeichnet durch vier Befestigungspunkte je Paneel, durch eine Anordnung des ersten und des zweiten Befestigungspunktes im Bereich zweier diametraler Ecken des Paneels, durch eine Anordnung der beiden weiteren Befestigungspunkte im Bereich der verbleibenden diametralen Ecken des Paneels, sowie durch eine zu der den ersten und den zweiten Befestigungspunkt verbindenden Paneeldiagonale parallele oder annähernd parallele Steckrichtung aller vier Befestigungspunkte.






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