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Dokumentenidentifikation DE69301408T2 29.08.1996
EP-Veröffentlichungsnummer 0559535
Titel Wärmeschutzvorrichtung mit Anwendung von Verdampfung und Überhitzung einer nachladbaren Flüssigkeit
Anmelder Aérospatiale Société Nationale Industrielle, Paris, FR
Erfinder Le Touche, Roger, F-78290 Ecquevilly, FR
Vertreter Grünecker, Kinkeldey, Stockmair & Schwanhäusser, Anwaltssozietät, 80538 München
DE-Aktenzeichen 69301408
Vertragsstaaten DE, GB, IT
Sprache des Dokument Fr
EP-Anmeldetag 01.03.1993
EP-Aktenzeichen 934005109
EP-Offenlegungsdatum 08.09.1993
EP date of grant 31.01.1996
Veröffentlichungstag im Patentblatt 29.08.1996
IPC-Hauptklasse B64G 1/58

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, die während einer unbegrenzten Dauer den Wärmeschutz einer Struktur gewährleistet, die sich in einer Umgebung befindet, die praktisch unbegrenzten Temperaturerhöhungen ausgesetzt sein kann.

Die Anwendungen einer solchen Schutzvorrichtung sind sehr zahlreich und betreffen den Schutz von Menschen und Materialien ebenso auf der Erde wie in der Atmosphäre. Jedoch ist die Erfindung umso vorteilhafter, je mehr die Anwendungen Veränderungen des Umgebungsdrucks zur Folge haben und/oder die zu schützenden Strukturen veränderlichen Beschleunigungen und Verzögerungen ausgesetzt sind.

Die Erfindung betrifft noch genauer eine Wärmeschutzvorrichtung, die eine Retentionsschicht umfaßt, welche anfangs getränkt wird mit einem Produkt, das sich im flüssigen Zustand befindet, wenn die Außentemperatur eine bestimmte Schwelle nicht überschreitet. Eine solche Wärmeschutzvorrichtung wird allgemein "transpirierender" Wärmeschutz genannt. Wenn es nämlich einem äußeren Wärmeangriff ausgesetzt wird, verdampft das anfänglich in einem flüssigen Zustand befindliche Produkt, das normalerweise zurückgehalten wird in der Retentionsschicht, aus der Retentionsschicht nach und nach in die Atmosphäre. Der so gebildete Dampf wird vor dem Entweichen in die Amosphäre durch den äußeren Wärmefluß erhitzt, so daß die abgeführte Wärmemenge um so größer ist, je größer der Wärmefluß ist, dem die Vorrichtung ausgesetzt ist. Aus diesem Grund wird die mit Flüssigkeit getränkte Retentionsschicht manchmal "Verdampfer-Überhitzer-Element" oder "Befeuchter-Überhitzer-Element" genannt. Die Konfiguration eines solchen "transpirierenden" Wärmeschutzes sowie seine Betriebsart werden detailliert beschrieben in dem Dokument FR-A 2 512 169.

Wie in diesem Dokument schon beschrieben, kann ein solcher "transpirierender" Wärmeschutz mit einem System ausgerüstet werden, das ermöglicht, der Retentionsschicht ein Produkt im flüssigen Zustand zuzuführen, um eine Verlängerung der Lebensdauer des Wärmeschutzes zu ermöglichen, über die Zeit hinaus, die zur vollständigen Verdampfung des anfangs in der Retentionsschicht im flüssigen Zustand enthaltenen Produkts nötig ist.

Es ist im allgemeinen ohne besondere Schwierigkeiten moglich, mit Hilfe einer Pumpe ein Produkt im flüssigen Zustand einer Retentionsschicht eines "transpirierenden" Wärmeschutzes zuzuführen, wenn die herrschenden Druck- und Beschleunigungsbedingungen im wesentlichen konstant sind, wie dies der Fall ist bei der Mehrzahl der erdgebundenen Anwendungen eines solchen Wärmeschutzes. Hingegen wird die Tränkung der Retentionsschicht mit dem Flüssigprodukt sehr komplex, wenn bei der vorgesehenen Anwendung große Druck- und Beschleunigungsveränderungen auftreten, wie dies vor allem der Fall ist bei den Luft- und Raumfahrt-Anwendungen. Es wird dann nämlich praktisch unmöglich, die Retentionsschicht auf homogene Weise zu versorgen, so daß der Wärmeschutz in gewissen Zonen örtlich unwirksam wird. Bei diesen speziellen Anwendungen gibt es folglich keinen Wärmeschutz, der seine Funktion während einer unbegrenzten Dauer ausüben kann und der ggf. wiederverwendet werden kann ohne besondere Instandhaltung.

Die Erfindung hat genau eine Wärmeschutzvorrichtung des "transpirierenden" Wärmeschutztyps zum Gegenstand, deren neuartige Konzeption ermöglicht, die homogene Wiederversorgung der Retentionsschicht des Wärmeschutzes sicherzustellen, egal welchen Druck- und Beschleunigungsveränderungen die diesen Wärmeschutz tragenden Strukturen ausgesetzt sind.

Die Erfindung hat ebenfalls eine Wärmeschutzvorrichtung des "transpirierenden" Wärmeschutztyps zum Gegenstand, deren neuartige Konzeption ermöglicht, den Schutz einer Stuktur zu gewährleisten, die während einer unbegrenzten Zeitdauer großen Druck- und Beschleunigungsveränderungen ausgesetzt sein kann, unabhängig von der Umgebungstemperatur und derart, daß die Wärmeschutzvorrichtung für eine unbegrenzte Anzahl von Einsätzen wiederverwendet werden kann und nicht ausgetauscht werden muß.

Erfindungskonform werden diese Resultate erreicht mittels einer Wärmeschutzvorrichtung, die wenigstens eine Retentionsschicht umfaßt, getränkt mit einem normalerweise im Flüssigzustand befindlichen Produkt mit einer Siedetemperatur niedriger als eine zulässige Höchsttemperatur einer zu schützenden Struktur, und Einrichtungen zum Nachtränken der Retentionsschicht mit dem Produkt, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Nachtränken der Retentionsschicht eine Membran umfassen, dicht für das Produkt im Flüssigzustand und undurchlässig für das Produkt im Dampfzustand, die eingefügt ist zwischen die Retentionsschicht und einen Raum zur Versorgung mit dem Produkt im Flüssigzustand, angrenzend an die zu schützende Struktur.

Bei einer derartigen Wärineschutzvorrichtung wird die Retentionsschicht mit dem Produkt im Dampfzustand wiederversorgt, wenn die Gesamtheit des ursprünglich im flüssigen Zustand in dieser Retentionsschicht enthaltenen Produkts verdampft ist. Da das zur Wiederversorgung der Retentionsschicht dienende Produkt im Dampfzustand in dieses eindringt, erfolgt diese Wiederversorgung automatisch und in homogener Weise, unabhängig davon, welchen Druck- und Beschleunigungsveränderungen die zu schützende Struktur ausgesetzt ist. Es wird also möglich, für die Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt Wärmeschutzvorrichtungen ohne jede Lebensdauer- und Temperaturbegrenzung herzustellen, was bisher nicht der Fall war. Insbesondere ermöglicht die praktisch unbegrenzte Verwendungsdauer der erfindungsgemäßen Wärmeschutzvorrichtung, sie unter extremen Temperaturverhältnissen viele Male ohne besondere Wartung zu verwenden, was bei keiner vorhandenen Wärineschutzvorrichtung der Fall ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsart der Erfindung ist die Membran von der Retentionsschicht durch einen Trennzwischenraum getrennt, um zu verhindern, daß das im flüssigen Zustand im Versorgungsraum vorhandene Produkt nicht unbeabsichtigt durch Kapillarwirkung die Membran durchquert infolge eines direkten Kontakts zwischen der Retentionsschicht und der Membran.

Bei einer anderen Ausführungsart der Erfindung weist die Membran Porositäten auf und eine Dicke etwa zehnmal größer als der Durchmesser dieser Porositäten. Die Membran kann dann direkt in Kontakt sein mit der Retentionsschicht, denn eine unbeabsichtigte Durchquerung der Membran durch das Produkt im flüssigen Zustand unter dem Einfluß der Kapillarwirkung wird dann durch die Dicke der Membran verhindert.

Außerdem ist die Membran vorzugsweise aus einen durch das Produkt nicht benetzbaren Material hergestellt, das bis zur Siedetemperatur des Produkts gute mechanische Eigenschaften aufweist. Dieses Resultat kann man mit einer großen Anzahl Materialien erreichen, von denen man nur als Beispiel Gewebe aus Metall oder auf der Basis von mit Polytetrafluorethylen überzogenen Fasern nennen kann.

Für den Fall, daß die zu schützende Struktur dicht ist, ist der Produktversorgungsraum direkt in Kontakt mit dieser Struktur. Wenn hingegen die zu schützende Struktur nicht dicht ist, wird der Versorgungsraum durch eine dichte Wand von dieser Struktur getrennt.

Die Einleitung des Produkts im Flüssigzustand in den Versorgungsraum erfolgt vorzugsweise mit Hilfe von Injektionseinrichtungen, die zahlreiche Formen haben können, je nach der vorgesehenen Anwendung.

Für den Sonderfall, daß die Wärmeschutzvorrichtung auf einem Teil der Struktur eines Raumfahrzeugs angebracht wird, der während einer seinem Start entsprechenden Beschleunigungsphase und während einer seiner Rückkehr in die Erdatmosphäre entsprechenden Bremsphase einem intensiven Wärmefluß ausgesetzt ist, können die Injektionseinrichtungen Einrichtungen umfassen, die auf Beschleunigungen und auf Verzögerungen des Fluggeräts ansprechen.

Nach einer ersten Ausführungsart der Erfindung umfassen die Injektionseinrichtungen dann einen doppeltwirkenden Zylinder, dessen Längsachse im wesentlichen in Richtung Beschleunigungen und Verzögerungen des Fluggeräts ausgerichtet ist, und Einrichtungen, um abwechselnd zwei entgegengesetzte Kammern des Zylinders zu verbinden mit einem Speicher des Produkts im Flüssigzustand und mit dem Versorgungsraum, je nach dem, ob das Fluggerät Beschleunigungen oder Verzögerungen ausgesetzt ist. Vorteilhafterweise weist der doppeltwirkende Zylinder dann auf der Seite des Fluggeräts, nach der die Wärmeschutzvorrichtung orientiert ist, einen größeren Durchmesser auf als auf der entgegengesetzten Seite.

Nach einer zweiten Ausführungsart der Erfindung umfassen die Injektionseinrichtungen eine durch einen Elektromotor gesteuerte Pumpe, deren Versorgungsspannung durch einen Beschleunigungsmesser geregelt wird.

Nun werden beispielhaft und nicht einschränkend verschiedenen Ausführungsarten der Erfindung mit bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben:

- die Figur 1 ist eine Schnittansicht, die einen erfindungsgemäßen Wärmeschutzschild darstellt;

- die Figur 2 ist eine schematische Ansicht, die teils geschnitten eine erste Ausführungsart der Einrichtungen zum Einleiten von Flüssigkeit in den Versorgungsraum des Wärmeschutzschilds der Figur 1 darstellt; und

- die Figur 3 ist eine der Figur 2 vergleichbare Ansicht, die eine zweite Ausführungsart der Einrichtungen zum Einleiten von Flüssigkeit in den Versorgungsraum des Warmeschutzschilds der Figur 1 zeigt.

Die erfindungsgemäße Wärmeschutzvorrichtung wird im wesentlichen gebildet durch einen Wärmeschutzschild, der auf den Teilen der Struktur angebracht werden kann, die gegenüber eines äußeren Wärme- bzw. Hitzeangriffs geschützt werden müssen, und durch Einrichtungen zum Einleiten eines Produkts im Flüssigzustand in diesen Wärmeschutzschild, um nach Wunsch die Periode zu verlängern, während der der Wärmeschutzschild seine Funktion erfüllt. Ein Ausführungsbeispiel des Wärmeschutzschilds ist in Figur 1 dargestellt. Die Injektionseinrichtungen des flüssigen Produkts betreffend, sind in den Figuren 2 und 3 zwei Ausführungs beispiele dargestellt.

In Figur 1 bezeichnet die Referenz 10 auf allgemeine Weise einen Wärmeschutzschild des "transpirierenden" Typs, der hauptsächlich eine Retentionsschicht 12 umfaßt, hergestellt aus einem Produkt, das seinerseits ein Produkt aufnehmen kann, das sich unter normalen Druck- und Temperaturbedingungen im flüssigen Zustand befindet. Wie dies detailliert in dem Dokument FR-A- 2 512 169 beschrieben ist, kann das Material, das diese Funktion in der Retentionsschicht 12 erfüllt, insbesondere ein wäßriges Kolloidkieselgel sein, gehalten durch eine Bewehrung, die vor allem gebildet werden kann durch ein Fasernnetz, gewebt oder nicht.

Das Produkt im Flüssigzustand das zunächst die Retentionsschicht 12 tränkt, wird gewählt in Abhängigkeit von der für die zu schützende Struktur zulässigen Höchsttemperatur, unter den Druckbedingungen, bei denen die Vorrichtung funktionieren muß. Genauer ausgedrückt muß die Siede- oder Verdampfungstemperatur des Produkts im Flüssigzustand, das die Retentionsschicht 12 tränkt, niedriger sein als die zulässige Höchsttemperatur der zu schützenden Struktur, unter den vorerwähnten Bedingungen. Wenn diese zulässige Höchstemperatur höher als 100ºC ist, bildet das Wasser eine besonders vorteilhafte Lösung aufgrund seines geringen Preises und seiner großen Verfügbarkeit. Es können jedoch zahlreiche weitere Produkte gewählt werden, vor allem wenn die Temperatur der Struktur unter der Siedetemperatur des Wassers bei dem betreffenden Druck bleiben muß.

Um die Unversehrtheit und die Einschließung der Retentionsschicht 12 zu wahren, wird diese Schicht zwischen zwei Platten oder Folien untergebracht, die jeweils eine Außenplatte 14 bilden, in Kontakt mit der Außenatmosphäre, und eine Innenplatte 16, der zu schützenden Struktur 22 zugekehrt.

Die die Platten 14 und 16 bildenden Materialien können unterschiedlicher Art sein, vorausgesetzt sie erfüllen eine bestimmte Anzahl Bedingungen, einerseits abgeleitet von ihrer vorhergehend definierten Funktion und andrerseits von der Notwendigkeit, nicht die Funktionsweise des Wärmeschutzschilds zu stören. Die erste Bedingung zwingt zu der Wahl von Materialien, deren mechanische Festigkeit auch unter extremen Temperaturbedingungen, denen der Wärmeschutzschild ausgesetzt sein kann, gut bleibt und die unter diesen extremen Bedingungen keine größeren Deformierungen dieses Schilds verursachen.

Bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Platten 14 und 16 steife Platten, hergestellt aus Materialien, deren jeweilige Wärmeausdehnungskoeffizienten praktisch jede Deformierung des Wärmeschutzschilds ausschließen, wenn die Temperatur zwischen den extremen, der betreffenden Anwendung entsprechenden Bedingungen variiert. Diese Materialien können vor allem Materialien sein, deren Wärmeausdehnungskoeffizienten praktisch null sind, wie z.B. Invar (Schutzmarke) und/oder Verbundmaterialien des Kohlenstoff-Kohlenstoff-Typs.

Die Porosität der Platten 14 und 16 gegenüber dem in der Retentionsschicht 12 enthaltenen Produkt, wenn es im Dampfzustand ist, erhält man in diesem Fall durch Lochungen 18 und 20, die regelmäßig verteilt sind über die gesamte Fläche der Platten 14 und 16. Außerdem wird der Zusammenhalt des durch die Platten 14 und 16 und durch die zwischen diesen Platten befindliche Retentionsschicht 12 gebildeten Aufbaus gewährleistet durch Verbindungsstangen 23, deren Enden an den Platten 14 und 16 befestigt sind und die regelmäßig verteilt sind zwischen diesen. Die Befestigung der Verbindungsstangen 23 an den Platten 14 und 16 kann durch irgendein Mittel erfolgen, z.B. durch Schweißen, wenn die Platten metallisch sind.

Erfindungsgemäß, anstatt direkt auf der zu schützenden Struktur 22 befestigt zu sein, dargestellt in Figur 1 in Form eines Bleches, ist der Wärmeschutzschild des "transpirierenden" Typs, den die zwischen den Platten 14 und 16 eingeschlossene Retentionsschicht 12 bildet, von dieser Struktur 22 getrennt durch einen Versorgungsraum 24 des Schilds 10 mit dem Produkt im flüssigen Zustand. Noch genauer: dieser Versorgungsraum 24 kann einen Film des Produkts im Flüssigzustand aufnehmen, der von dem eigentlichen Wärmeschutzschild 10 getrennt ist durch eine Membran 26, selbst getrennt von der inneren Platte 16 des Schilds durch einen Trennraum 28, der jeden direkten Kontakt zwischen der Membran 26 und der inneren Platte 16 verhindert. Das in den Versorgungsraum 24 eingeleitete Produkt ist dasselbe wie jenes, das die Retentionsschicht 12 ursprünglich getränkt hat.

Das für die Membran 26 gewählte Material muß dicht sein gegen das in den Versorgungsraum 24 eingeleitete Produkt, wenn dieses Produkt im Flüssigzustand ist. Hingegen muß dieses Material durchlässig sein für das vorerwähnte Produkt, wenn es im Dampfzustand ist. Damit diese Charakteristika berücksichtigt werden, ist das für die Membran 26 verwendete Material ein durch das Produkt im Flüssigzustand nicht benetzbares Material, dessen mechanischen Eigenschaften gut bleiben bis zur Siede- oder Verdampfungstemperatur dieses Produkts. Im gegenteiligen Fall wäre die Dichtheit der Membran 26 gegenüber dem Produkt im Flüssigzustand nicht gewährleistet.

In der Praxis sind die Materialien, die diesen verschiedenen Kriterien entsprechen, sehr zahlreich und es wird hier nur beispielhaft der Fall eines metallischen Netzes oder Gewebes oder eines Gewebes aus mit Polytetrafluorethylen beschichteten Glasfasern genannt, vor allem für den Fall, daß das die Retentionsschicht 12 tränkende und in den Versorgungsraum 24 eingeleitete Produkt Wasser ist.

Die Membran 26 weist gleichmäßig verteilte Porositäten auf, deren Höchstdurchmesser (d.h. die kleinste Abmessung der größten Porosität der Membran) für ein bestimmtes Tränkungsprodukt der Retentionsschicht 12 die Höhe dieses durch die Membran stabilisierten und zurückgehaltenen Produkts im Flüssigzustand bestimmt, je nach dem, welchem Beschleunigungswert die Struktur ausgesetzt ist. Diese Höhe H wird durch folgende Relation definiert:

H = 4A/φγ (1)

mit:

H Höhe der durch die Membran stabilisierten und zurückgehaltenen Flüssigkeit (in m)

A = oberflächenspannung der Flüssigkeit (in Nm&supmin;¹)

γ= Beschleunigung (g = 9.81 am Boden)

φ= Durchmesser der Porositäten der Membran (in m)

= volumenbezogene Masse der Flüssigkeit (in kg/m ).

Der Trennraum 18, vorgesehen zwischen der Membran 26 und dem eigentlichen Wärmeschutzschild 10, ist dazu bestimmt, zu verhindern, daß das in dem Versorgungsraum 24 enthaltene Produkt im Flüssigzustand nicht durch Kapillarwirkung in die Retentionsschicht 12 gelangen kann, während es sich noch im flüssigen Zustand befindet. Dies könnte nämlich zu einer Teilentleerung des Versorgungsraums 24 führen und den Wärmeschutz in bestimmten Zonen unwirksam machen.

Der Trennraum 28 sowie der Versorgungsraum 24 weisen geringe Dicken auf (z.B. kleiner als 3 mm), um den Platzbedarf der Vorrichtung sowie ihr Gewicht möglichst zu begrenzen, wenn das Produkt im Flüssigzustand im Versorgungsraum aufgenommen worden ist.

Bei einer nicht dargestellten Ausführungsvariante reicht die Dicke der Membran 26 aus, so daß man den Trennraum 18 weglassen kann, ohne zu riskieren, daß das Produkt im flüssigen Zustand die Membran durch Kapillarwirkung durchquert. Konkret ist dieser direkte Kontakt zwischen der Membran 26 und dem Warmeschutzschild 10 möglich, wenn die Dicke der Membran größer ist als ungefähr zehnmal der Durchmesser der Porositäten dieser letzteren.

Unter den zahlreichen Einrichtungen, die verwendet werden können, um den Wärmeschutzschild 10 sowie die Membran 26 auf der zu schützenden Struktur 22 zu befestigen, wobei beiderseits der Membran die Räume 24 und 28 ausgespart werden müssen, hat man in Figur 1 rein beispielhaft den Fall dargestellt, wo diese Funktion durch Stangen 30 erfüllt wird, die mit einem Ende an der Platte 16 befestigt sind und mit ihrem anderen Ende an der Struktur 22. Die Räume 24 und 28 werden durch zwei Abstandsscheiben 32 oder analoge Einrichtungen gebildet, die an jeder der Stangen 30 angebracht werden und zwischen denen die Membran 26 eingeklemmt ist.

Die Befestigungseinrichtungen der Stangen 30 an der Platte 16 und an der Struktur 22 können beliebig sein. So können die Stangen 30 vor allem auf die Platte 16 geschweißt werden, wenn diese metallisch ist, und können an ihrem entgegengesetzten Ende ein Gewinde aufweisen, auf das zum Befestigen der Stange an der Struktur 22 eine Mutter 34 geschraubt wird.

Es ist zu beachten, daß die Durchquerung der Membran 26 durch jede Stange 30 so ausgeführt werden muß, daß die Dichtheit der Membran gegenüber dem Produkt im Flüssigzustand gewahrt bleibt. Dies kann erreicht werden durch das Anbringen von Dichtringen (nicht dargestellt) zwischen den Scheiben 32 und der Membran 26.

Außerdem, um die Bildung von Wärmebrücken zwischen der zu schützenden Struktur 22 und der Außenplatte 14 zu vermeiden, vor allem für den Fall, daß die Stangen 30 metallisch sind, werden diese Stangen vorzugsweise versetzt zueinander angeordnet, wie die Figur 1 zeigt.

Eine analoge Dichtheit muß ebenfalls vorgesehen werden zwischen dem Produkt im Flüssigzustand, enthalten zwischen dem Versorgungsraum 24 und der Stuktur 22. Wenn diese Sturktur dicht ist, wird diese Dichtheit ohne besondere Vorkehrungen erreicht, außer wenn die Stangen 30 die Struktur 22 durchqueren, wie dargestellt in Figur 1, was erforderlich macht, zwischen jeder Scheibe 32 und der Struktur 22 einen Dichtring vorzusehen (nicht dargestellt).

Für den Fall (nicht dargestellt), daß die zu schützende Struktur 22 nicht dicht ist, muß eine Abdichthaut auf dieser Struktur angebracht werden, um den Versorgungsraum 24 auf dieser Seite abzugrenzen.

Die Injektion des Produkts im Flüssigzustand in den Versorgungsraum 24 kann durch irgendeine Einrichtung wie z.B. eine Pumpe erfolgen, die die Flüssigkeit aus einem zu diesem Zweck vorgesehenen Speichertank injiziert.

Wenn der Wärmeangriff, gegen den die Struktur geschützt werden soll, zusammentrifft mit Beschleunigungs- und Verzögerungsphasen dieser Struktur, kann eine von den beiden speziellen Injektionseinrichtungen verwendet werden, die nun mit Bezug auf die Figuren 2 und 3 nacheinander beschrieben werden. Diese Verwendung betrifft vor allem den Fall, wo die zu schützende Struktur sich auf einem Raumfahrzeug befindet, das während seines Starts und während seiner Rückkehr in die Erdatmosphäre Erwärmungen aushalten muß.

Bei der in Figur 2 dargestellten Ausführungsart umfassen die Injektionseinrichtungen des Produkts im Flüssigzustand einen doppeltwirkenden Zylinder 34, dessen Längsachse im wesentlichen parallel zur Fortbewegungsrichtung des Fluggeräts ausgerichtet ist, die durch den Pfeil F in der Figur bezeichnet wird. Diese Fortbewegungsrichtung entspricht der Richtung der Beschleunigungen und der Verzögerungen, denen das Fluggerät beim Start und bei seiner Rückkehr in die Erdatmosphäre ausgesetzt ist.

Der doppeltwirkende Zylinder 34 umfaßt einen abgestuften Kolben 36, der in einem Zylinder gleiten kann und die Volumen einer vorderen Kammer 40 und einer hinteren Kammer 42 verändern kann, wenn er den vorerwähnten Beschleunigungen und Verzögerungen ausgesetzt ist. Die vordere Kammer 40 und die hintere Kammer 42 sind mit dem Versorgungsraum 24 des Wärmeschutzschilds 10 verbunden durch Rohrleitungen 44, 46, ausgerüstet mit Anti-Retour- Ventilen 48, 50. Die Rohrleitungen 44 und 46 weisen vorteilhafterweise ein gemeinsames Teilstück auf, das im Versorgungsraum 24 mündet.

Außerdem sind die vordere 40 und hintere 42 Kammer ebenfalls verbunden mit einem Speicher 52 des Produkts im Flüssigzustand durch zwei Rohrleitungen 54 und 56, die vorteilhafterweise einen gemeinsamen, im Speicher 52 mündenden Teil aufweisen. Jede der Rohrleitungen 54 und 56 ist mit einem Anti-Retour-Ventil 58 und 60 ausgerüstet. Diese Anti-Retour-Ventile 58 und 60 sind gekoppelt mit den Anti-Retour-Ventilen 48 und 50, so daß die Ventile 48 und 60 simultan geöffnet werden und die Ventile 50 und 58 dann geschlossen werden. umgekehrt werden die Ventile 50 und 58 simultan geöffnet und die Ventile 48 und 60 dann geschlossen.

Wie vorhergehend erwähnt ist der Kolben 36 ein Stufenkolben, d.h. daß der Teil des Kolbens, der die vordere Kammer 40 begrenzt, einen größeren Durchmesser aufweist als der Teil des Kolbens, der die hintere Kammer 42 begrenzt. Auf Grund dieser Konfiguration bildet sich eine Zwischenkammer 62 zwischen dem Kolben 36 und dem Zylinder 38. Diese Zwischenkammer 62 ist über einen Durchlaß 64 mit der Außenseite verbunden, um die Verschiebungen des Kolbens 36 nicht zu erschweren.

Wenn das Fluggerät bei der beschriebenen Anordnung einer Beschleunigung ausgesetzt wird, ist der Kolben 36 bestrebt, sich unter der Wirkung seiner Trägheit nach hinten zu bewegen, d.h. nach links im Falle der Figur 2. Ein Beschleunigungsmesser oder ein vergleichbares System bewirkt dann das äffnen der Ventile 50 und 58 und das Schließen der Ventile 60 und 48. Folglich wird das in der hinteren Kammer 42 vorhandene Produkt im Flüssigzustand durch die Rohrleitung 46 in die Versorgungskammer 24 des Warmeschutzschilds 10 injiziert. Simultan wird das in dem Speicher 52 enthaltene Produkt im Flüssigzustand durch die Rohrleitung 54 in die vordere Kammer 40 eingeleitet. Da die vordere Kammer 40 einen größeren Durchmesser aufweist als die hintere Kammer 42, erzielt man einen Verstärkungseffekt der Druckkraft, durch die das Produkt im Flüssigzustand in die Versorgungskammer 24 injiziert wird. Dieser Verstärkungseffekt wird so festgelegt, daß er den Rückschubeffekt kompensiert, den die Trägheit des Produkts im Flüssigzustand verursacht, wenn der Wärmeschutzschild 10 sich vorne am Fluggerät befindet, wie dargestellt in Figur 2.

Umgekehrt, wenn das Fluggerät einer Verzögerung ausgesetzt ist, ist der Kolben 36 bestrebt, sich in Richtung Vorderseite des Fluggeräts zu bewegen. Die Ventile 48 und 60 werden dann geöffnet und die Ventile 50 und 58 geschlossen. Dann ist es das in der vorderen Kammer 40 enthaltene Produkt im Flüssigzustand, das in die Versorgungskammer 24 des Wärmeschutzschilds 10 injiziert wird, während das Produkt im Flüssigzustand aus dem Speicher 52 in die hintere Kammer 42 geleitet wird. Das Verhältnis der Querschnitte zwischen der vorderen und hinteren Kammer des Zylinders 34 ist dann umgekehrt, was die Tatsache kompensiert, daß die in der Leitung 44 vorhandene Flüssigkeit dann aufgrund ihrer Trägheit bestrebt ist, natürlich in die Versorgungskammer 24 einzudringen, wenn der Wärmeschutzschild 10 nach vorn gekehrt ist.

Wenn der Wärmeschutzschild 10 nach der entgegengesetzten Richtung orientiert ist, wird eine vergleichbare Funktionsweise der Vorrichtung erreicht, indem man den doppeltwirkenden Zylinder 34 umkehrt in bezug auf die vorhergehende Beschreibung.

Bei einer anderen Ausführungsart der Injektionseinrichtungen, dargestellt in Figur 3, ist das Fluggerät ausgerüstet mit einem Beschleunigungsmesser, gebildet durch eine Masse 66, so auf eine Feder 68 montiert, daß sie sich nach hinten oder nach vorn verschieben kann, je nach dem, ob das Fluggerät einer Beschleunigung oder einer Verzögerung ausgesetzt ist. Wie vorher ist die Fortbewegungsrichtung des Fluggeräts, d.h. die Richtung seiner Beschleunigungen und seiner Verzögerungen durch den Pfeil F bezeichnet. Die Masse 66 des Beschleunitungsmessers betätigt einen Rheostat 70, eingeschaltet in einen Stromkreis mit einer Stromquelle 71 und einen Elektromotor 72. Dieser Elektromotor 72 ist vorzugsweise ein Gleichstrommotor, der eine Pumpe 74 antreibt, die sich in einer Rohrleitung 76 befindet, die einen Speicher 78 des Produkts im Flüssigzustand verbindet mit einer Versorgungskammer 24 des Wärmeschutzschilds 10.

Bei diesem Aufbau variiert die Versorgungsspannung des Elektromotors 72, je nach dem, ob das Fluggerät einer Beschleunigung oder einer Verzögerung ausgesetzt ist. Die Pumpe 74 wird dem Wert dieser Spannung entsprechend mehr oder weniger schnell angetrieben, was bewirkt, daß das Produkt im Flüssigzustand in die Versorgungskammer 24 des Wärmeschutzschilds 10 injiziert wird, sobald die Größe der Beschleunigung oder der Verzögerung den Beginn der Wirksamkeit der erfindungsgemäßen Wärmeschutzvorrichtung erforderlich macht.

Es ist klar, daß in der Praxis ein Fluggerät mit mehreren Wärmeschutzschildern unterschiedlicher Größen ausgerüstet werden kann, angeordnet an den kritischen Stellen des Fluggeräts. In diesem Fall kann die Injektion des Produkts im Flüssigzustand in den Versorgungsraum eines jeden dieser Schilde mit Hilfe einer gemeinsamen Injektionseinrichtung erfolgen.

Außerdem kann es sich als wünschenswert erweisen, den Versorgungsraum 24 von ein und demselben Wärmeschild zu unterteilen, wenn dieser Schild sehr groß ist, um sicherzugehen, daß die Hohe der durch die Membran stabilisierten und zurückgehaltenen Flüssigkeit nie niedriger werden kann als die eventuell bei dieser Membran angewendeten Flüssigkeitshöhe.

So erhält man, indem man die vorher angegebene Relation (1) anwendet und annimmt, daß als Flüssigkeit Wasser verwendet wird und als Membran ein metallisches Gewebe, beschichtet mit Polytetrafluorethylen mit Porositäten des Durchmessers 100 µm oder kleiner, eine stabilisierte und zurückgehaltene Wasserhöhe von ungefähr 10 cm bei einer Beschleunigung von 1 g, von ungefähr 2 cm bei einer Beschleunigung von 5 g und von ungefähr 2 mm bei einer Beschleunigung von 50 g. Bei einer Null-Beschleunigung (0 g) ist die Höhe der durch die Membran zurückgehaltenen Flüssigkeit unendlich.

Dieses Beispiel zeigt deutlich, daß der Durchmesser der Porositäten im voraus bestimmt werden muß unter Berücksichtigung der Höchstbeschleunigung, der die zu schützende Struktur im Laufe ihrer Verwendung ausgesetzt sein kann.

Wenn die erfindungsgemäße Wärmeschutzvorrichtung einem Wärmeangriff ausgesetzt ist, funktioniert er in einem ersten Zeitraum ebenso wie die in dem Dokument FR-A-2 512 169 beschriebene Vorrichtung. Anders ausgedrückt: das Produkt im Flüssigzustand, das anfänglich die Retentionsschicht 12 tränkt, verdampft nach und nach auf der Außenseite des Schilds und entweicht von dieser im überhitzten Dampfzustand. Solange noch Produkt im Flüssigzustand in der Retentionsschicht 12 vorhanden ist, ist sichergestellt, daß die Temperatur der Struktur 22 niedriger ist als die Verdampfungstemperatur des Produkts.

Wenn die Gesamtheit des die Retentionsschicht anfangs trankenden Produkts im Flüssigzustand verbraucht worden ist, erreicht die hintere Platte 16 die Verdampfungstemperatur des Produkts im Flussigzustand und überschreitet sie und erwärmt mittels Konvektion die Membran 26 sowie das Produkt im Flüssigzustand, das sich dann in dem Versorgungsraum 24 befindet. Die dadurch in der Kammer 24 entstehenden Dämpfe durchqueren die Membran 26 und versorgen auf homogene Weise die Retentionsschicht 12. Eine kontinuierliche Versorgung des Versorgungsraums 24, z.B. mittels einer Pumpe und/oder einer der Vorrichtungen, die mit bezug auf die Figuren 2 und 3 beschrieben wurden, ermöglicht einen zeitlich unbegrenzten Schutz der Struktur 22 und garantiert dabei, daß die Temperatur der Struktur 22 niedriger bleibt als die Verdampfungstemperatur des Produkts. Festzustellen ist, daß vorher, wenn die Struktur großen Druck- und Verzögerungsänderungen ausgesetzt war, dieses Resultat nicht erzielt werden konnte.

Zusätzlich zu diesem wesentlichen Vorteil der erfindungsgemäßen Wärmeschutzvorrichtung ist festzustellen, daß diese Vorrichtung ermöglicht, dieses Resultat unabhängig von dem außerhalb des Wärmeschutzschilds 10 erreichten Temperaturniveau zu erzielen, denn eine Zunahme der Temperatur hat nur eine Zunahme des Produktverbrauchs während einer bestimmten Periode zur Folge.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Wärmeschutzvorrichtung betrifft ihre zeitlich unbegrenzte Wiederverwendbarkeit, die sich aus der Tatsache ergibt, daß das einzige Element, das verbraucht wird, das Wasser ist, das man in den Versorgungsraum 24 injiziert. Diese Eigenschaft bildet einen wesentlichen Vorteil, den keine der bekannten Wärmeschutzvorrichtungen bietet.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht beschränkt auf die soeben beispielhaft beschriebenen Ausführungensarten, sondern deckt alle Varianten davon ab. So ist die mit Bezug auf die Figur 1 beschriebene spezielle Struktur nur ein Ausführungsbeispiel von vielen. Vor allem kann man den eine einzige Retentionsschicht 12 aufweisenden Wärmeschutzschild 10 ersetzen durch einen mehrschichtigen Schild wie z.B. den in dem Dokument FR-A-2 547 895 beschriebenen. Außerdem kann die Versorgung des Versorgungsraums 24 mit dem Produkt im Flüssigzustand kontinuierlich oder diskontinuierlich erfolgen durch sehr unterschiedliche einzelne oder mehrfache Einrichtungen, unter denen die mit Bezug auf die Figuren 2 und 3 beschriebenen Einrichtungen nur Beispiele darstellen.


Anspruch[de]

1. Wärmeschutzvorrichtung, umfassend wenigstens eine Retentionsschicht (12), getränkt mit einem normalerweise im Flüssigzustand befindlichen Produkt mit einer Siedetemperatur, die niedriger ist als eine für eine zu schützende Struktur zulässige Maximaltemperatur, und Einrichtungen um die Retentionsschicht mit dem Produkt nachzutränken,

daß die Einrichtungen zum Nachtränken der Retentionsschicht eine Membran (26) umfassen, dicht für das Produkt im Flüssigzustand und durchlässig für das Produkt im Dampfzustand, die eingefügt ist zwischen die Retentionsschicht (12) und einen Raum (24) zur Versorgung mit dem Produkt im Flüssigzustand, angrenzend an die zu schützende Struktur.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (26) von der Retentionsschicht (12) getrennt ist durch einen Trennraum (28).

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet - wobei die Membran (26) Porositäten aufweist und eine Dicke größer als ungefähr zehnmal der Durchmesser dieser Porositäten -, daß diese Membran (26) in direktem Kontakt ist mit der Retentionsschicht (12).

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (26) aus einem durch das Produkt im Flüssigzustand nicht benetzbaren Material hergestellt ist und bis zum Siedepunkt des Produkts gute mechanische Eigenschaften aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet - wobei die zu schützende Struktur dicht ist -, daß der Produktversorgungsraum (24) direkt in Kontakt ist mit dieser Struktur.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet - wobei die zu schützende Struktur nicht dicht ist -, daß der Versorgungsraum (24) durch eine dichte Wand getrennt ist von dieser Struktur.

7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Versorgungsraum (24) verbunden ist mit Injektionseinrichtungen (34, 74) des Produkts im flüssigen Zustand.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Injektionseinrichtungen (34, 74) Einrichtungen sind, die auf Beschleunigungen und Verzögerungen eines die Wärmeschutzvorrichtung umfassenden Geräts reagieren.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Injektionseinrichtungen einen doppeitwirkenden Zylinder (34) umfassen, mit einer in Richtung der Beschleunigungen und Verzögerungen des Geräts ausgerichteten Längsachse, und Einrichtungen (48, 50, 58, 60) um abwechselnd zwei entgegengesetzte Kammern (40, 42) des Zylinder zu verbinden mit einem Speicher (52) des Produkts im Flüssigzustand und dem Versorgungsraum (24), je nach dem, ob das Gerät Beschleunigungen oder Verzögerungen ausgesetzt ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der doppeltwirkende Zylinder (34) auf der Seite des Geräts, auf der sich die Wärmeschutzvorrichtung (10) befindet, einen größeren Durchmesser aufweist, als auf der entgegengesetzten Seite.

11. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Injektionseinrichtungen ein Pumpe (74) umfassen, angetrieben durch einen Elektromotor (72), dessen Versorgungsspannung durch einem Beschleunigungsmesser (66, 68) geregelt wird.







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