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Dokumentenidentifikation DE69403376T2 02.01.1998
EP-Veröffentlichungsnummer 0618133
Titel Wärmeschutzvorrichtung, insbesondere für Raumfahrzeuge
Anmelder Société Européenne de Propulsion, Suresnes, FR
Erfinder Arnold, Thibault, F-33110 Le Bouscat, FR;
Lacombe, Alain, F-33600 Pessac, FR;
Tual, Michel, F-33290 Blanquefort, FR
Vertreter Klunker und Kollegen, 80797 München
DE-Aktenzeichen 69403376
Vertragsstaaten DE, FR, GB, IT
Sprache des Dokument Fr
EP-Anmeldetag 30.03.1994
EP-Aktenzeichen 944006808
EP-Offenlegungsdatum 05.10.1994
EP date of grant 28.05.1997
Veröffentlichungstag im Patentblatt 02.01.1998
IPC-Hauptklasse B64G 1/58
IPC-Nebenklasse F16C 11/06   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfmdung betrifft eine Wärmeschutzvorrichtung, insbesondere für ein Luft- und Raumfahrtgerät, beispielsweise für eine Kapsel für den Wiedereintritt in die Atmosphäre, für ein Raumflugzeug oder für ein Überschallflugzeug. Dieses Anwendungsgebiet ist nicht ausschließlich, die Erfindung läßt sich gleichermaßen einsetzen bei beispielsweise Thermoöfen unter sehr hoher Lufttemperatur.

Eine Wärmeschutzvorrichtung für ein Luft- und Raumfahrtgerät muß die interne Struktur des Geräts gegen Überhitzungen schützen, insbesondere während des Wiedereintritts in die Atmosphäre, und sie muß gleichzeitig eine aerodynamische Funktion gewährleisten.

Zu diesem Zweck ist es bekannt, einen Wärmeschutz in Form von Kacheln oder Elementarmodulen zu realisieren, die nebeneinander liegend auf einer inneren Hauptstruktur des zu schützenden Triebwerks befestigt sind. Bei einem wiederverwendbaren Gerät (bei einem Raumschiff oder einem Überschallflugzeug) muß die Befestigung der Modulen derart ausgelegt sein, daß der Austausch eines beschädigten Moduls ohne besondere Schwierigkeiten möglich ist.

In der FR-A-2 657 675 ist vorgeschlagen, einen Wärmeschutz für ein Raumfahrzeug mit Hilfe von quadratischen, nebeneinander liegenden Kacheln zu realisieren. Jede Kachel enthält ein Verkleidungselement aus Verbundstoff mit einer Keramik-Matrix und einen Wärmeisolierstoff im Inneren des Verkleidungselements. Letzteres weist Fixierklauen auf, die mit der zu schützenden Hauptstuktur durch Bügel und Schrauben verbunden sind. Die Abnahme einer Kachel erfolgt dadurch, daß unter Verformung von weichen Fugenfüllungen zwischen benachbarten Kacheln ein Werkzeug hindurchgeführt wird.

Diese bekannte Lösung gestattet tatsächlich den Austausch einer beschädigten Kachel von außen her, weist jedoch gewisse Unzulänglichkeiten auf.

So besteht die Notwendigkeit, eine ausreichend große Lücke zwischen benachbarten Kacheln vorzusehen, um das Werkzeug durchführen und handhaben zu können, welches benötigt wird, um die Verbindungsmittel zwischen der Verkleidung und dem einstückig mit der Hauptstruktur ausgebildeten Fixierbügel loszuschrauben. Trotz des Ausfüllens dieser Lücke durch eine Fugenfüllung werden möglicherweise die aerodynamische Funktion der nebeneinander liegenden Kacheln sowie deren Wärmeschutzfunktion abträglich beeinflußt, und eine Beschädigung der Fugen insbesondere während der Montage ist im Hinblick auf diese zwei Funktionen umso schlimmer.

Außerdem ist es notwendig, Keile und Unterlegscheiben mit bedarfsgerechter Dicke zwischen die Verkleidungselemente, die Bügel und die Hauptstruktur einzufügen, um unvermeidliche Formfehler der verschiedenen Teile auszugleichen und die Kontinuität der aerodynamischen Form des Raumfahrzeugs zu gewährleisten, was den Wärmeschutz schwerer und komplexer macht.

Außerdem hat die Lücke, die zur Unterbringung der Fixiermittel zwischen den Verkleidungselementen benötigt wird, eine Form, welche eine Fugendichtung erfordert, deren Querschnitt die Form eines erweiterten Trapezes besitzt und schwierig herzustellen ist.

Darüberhinaus verursachen die Differenzen der Wärmeausdehnung zwischen den Verkleidungselementen und der Hauptstruktur in der Höhe der Befestigungen unerwünschte mechanische Beanspruchungen.

Aus der US-A-4 459 261 ist außerdem eine Trägerstruktur für einen Hochtemperaturreaktor bekannt, welche Verbindungsorgane zwischen dem Graphitmantel des Reaktors und einem außerhalb des Reaktors gelegenen seitlichen Wärmeschutzschirm aufweist. Die Verbindungsorgane werden gebildet durch elastische, verformbare Stangen, die sich horizontal in einer Lücke zwischen der Reaktorwand und dem thermischen Schutzschild erstrecken, an denen sie durch Kugelkopfverbindungen befestigt sind.

Eine derartige Struktur übt Druck auf die Reaktorwand aus und macht es möglich, verschiedene Dimensionsschwahkungen sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung aufzunehmen.

Allerdings handelt es sich nicht um einen modularen Aufbau, der das leichte Lösen und erneute Einsetzen eines Teils der Wand gestattet. Darüberhinaus besteht die Notwendigkeit, zumindest auf der Seite der Reaktorwand eine Kugelkopfverbindung vorzusehen, die erhöhten Temperaturen standhalten kann. Darüberhinaus konunt der Einsatz von elastischen Verbindungsorganen dann nicht in Betracht, wenn die Außenstruktur unverformbar sein muß, wie es insbesondere der Fall bei einem Raumfahrzeug wegen der aerodynamischen Funktion ist, die durch die Wärmeschutzelemente gewährleistet sein muß.

Die vorliegende Erfindung zielt auch darauf ab, einen Wärmeschutz vorzuschlagen, der sich insbesondere für Luft- und Raumfahrzeuge eignet, insbesondere einen Wärmeschutz in Form von nebeneinander liegenden Modulen, die untereinander austauschbar sind, wobei der Wärmeschutz nicht die dem oben erläuterten Stand der Technik anhaftenden Unzulänglichkeiten aufweist.

Erreicht wird dieses Ziel durch eine Wärmeschutzvorrichtung, gebildet aus einer Mehrzahl von nebeneinander liegenden Elementarmodulen, die jeweils ein Verkleidungselement mit Fixierklauen, in das Wärmeisolierstoff integriert ist, aufweisen, und starre Verbindungsmittel zum lösbaren Verbinden der Fixierklauen an einer zu schützenden Hauptstruktur, wobei erfindungsgemäß in dieser Vorrichtung die Lücke zwischen benachbarten Verkleidungselementen begrenzt ist auf einen Wert, der etwa dem kleinsten Wert entspricht, der benötigt wird, um Wärmedehnungen der Verkleidungselemente aufzunehmen, und die starren Verbindungsmittel zum Verbinden einer Fixierklaue eines Elementarmoduls mit der Hauptstruktur einen Kugelkopf aufweisen, der an der Fixierklaue verstellbar befestigt ist und im Inneren einer entsprechenden Ausnehmung eines an der Hauptstruktur fixierten Aufnahmeteils arretiert ist, wobei diese Arretierung des Kugelkopfs in seiner Ausnehmung mittels eines Zapfens erfolgt, der durch eine gegen eine elastische Rückstellkraft, die z. B. durch eine Feder erzeugt wird, ausgeübte Einwirkung lösbar ist.

Es reicht also aus, auf die Feder einzuwirken, um den Zapfen zu lösen und das Einführen des Kugelkopfs in seiner Ausnehmung oder sein Herausziehen aus letzterer zu ermöglichen.

Vorzugsweise ist der Arretierzapfen in einer Richtung beweglich, die etwa senkrecht verläuft zu der Richtung einer elastischen Rückstellkraft, die durch die Feder ausgeübt wird, die ihrerseits auf den Zapfen über ein Glied mit einer Fläche einwirkt, an die sich der Zapfen anlegt. Das Glied ist beispielsweise in Form eines Keils augebildet, der mit einer Fläche eine selbstsperrende Rampe bildet, an der sich der Zapfen anlegt. Auf diese Weise kann der Kugelkopf sich nicht federnd aus seiner Ausnehmung unter dem Einfluß einer auf das Verkleidungselement ausgeübten Zugkraft lösen.

Gemäß einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung läßt sich der Arretierzapfen des Kugelkopfs lösen durch eine Zugkraft, die auf die Feder von außerhalb des Wärmeschutzes her ausgeübt wird. Realisieren läßt sich dies mit Hilfe eines Drahts, der dauerhaft in der Lücke zwischen zwei benachbarten Verkleidungselementen der Modulen angeordnet ist, wobei dieser Draht so beschaffen ist. daß er den in der Lücke herrschenden thermischen Bedingungen standzuhalten vermag.

Nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung erfolgt das Lösen des Zapfens durch Ausüben von Druck von außerhalb mit Hilfe eines dünnen Werkzeugs in Form einer Klinge, die in die Lücke zwischen zwei Verkleidungselementen der benachbarten Modulen eingeführt wird.

In einer Abwandlung ist ein Zugang zu der Feder von dem Inneren der Hauptstruktur her vorgesehen.

In jedem Fall kann die Lücke zwischen benachbarten Verkleidungselementen der Modulen sehr gering sein, was ermöglicht, die Lücke zu beschränken auf einen Wert, der benötigt wird für die freie Wärmeausdehnung der Verkleidungselemente. Diese können dadurch besser ihre aerodynamischen und Wärmeschutzfunktionen erfüllen.

Außerdem sind dank der mittels Kugelkopf erfolgenden Verbindung die in die Fixierklauen durch unterschiedliche Wärmeausdehnungen zwischen den Verkleidungselementen und der Hauptstruktur eingeleiteten Spannungen geringer als bei einer Anordnung im Stand der Technik, weil nämlich die Verbindung mittels Kugelkopf ein schwächereres Maß an statischer Überbestimmtheit bietet.

Die Lage des Kugelkopfs in bezug auf die Fixierklaue, an der er befestigt ist, läßt sich beispielsweise durch Festschrauben oder Losschrauben eines Trägers des Kugelkopfs um dessen Achse einstellen. Diese leichte Einstellmöglichkeit ermöglicht das Ausgleichen von Fertigungs- und Montagetoleranzen der Hauptstruktur und der Verkleidungselemente, wobei gleichzeitig die Lage der Verkleidungselemente so justiert werden kann, daß sie der gewünschten aerodynamischen Form am nächsten kommt.

Vorzugsweise haben die Verkleidungselemente eine polygonale Außenfläche, beispielsweise eine quadratische Fläche, und die Fixierklauen befinden sich mittig an den Seiten der Verkleidungselemente, um sich zum Inneren hin entgegen der Außenseite zu erstrecken. Durch diese Anordnung können sich die Unterschiede der Wärmeausdehnung zwischen den Verkleidungselementen und der Primärstruktur als elastische Verformungen der Fixierklauen äußern, die die geringsten schädlichen mechanischen Spannungen einbringen. Die Erfindung wird besser verstanden durch Lektüre der nachfolgenden beispielhaften und nicht beschränkend zu verstehenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schematische Teilansicht einer Wärmeschutzvorrichtung;

Fig. 2 eine schematische Schnittansicht der Ebene II in Fig. 1 in vergrößertem Maßstab, wobei eine Anordnung der erfindungsgemäßen Wärmeschutzvorrichtung dargestellt ist;

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines Verkleidungselements der Wärmeschutzvorrichtung nach Fig. 2;

Fig. 4 eine Detailansicht, die in vergrößertem Maßstab den Endteil einer Fixierklaue des Verkleidungselements nach Fig. 3 zeigt;

Fig. 5 eine perspektivische Detailansicht, die eine Kugelkopfverbindung zwischen einer Fixierklaue und der zu schützenden Hauptstruktur zeigt;

Fig. 6 eine Schnittansicht in der Ebene VI in Fig. 5;

Fig. 7 und 8 Schnittansichten von Ausführungsvarianten der Kugelkopfverbindung zwischen einer Fixierklaue und der zu schützenden Hauptstruktur;

Fig. 9 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines Verkleidungselements; und

Fig. 10 eine Schnittansicht einer Kugelkopfverbindung zwischen einer Fixierklaue des Verkleidungselements nach Fig. 9 und der zu schützenden Hauptstruktur.

Wie die Figuren 1 und 2 zeigen, wird eine Wärmeschutzvorrichtung, beispielsweise für ein Raumfahrzeug oder ein Überschallflugzeug, durch nebeneinander liegende ähnliche Elementarmodulen 10 gebildet, die als Mosaik angeordnet sind. Die Module sind auf einer zu schützenden Hauptstruktur 12 befestigt, im vorliegenden Fall der Außenhaut eines Flugzeugs, die mit Verstärkungsrippen 14 ausgestattet ist.

Jedes Elementarmodul 10 enthält ein Verkleidungselement 20 in Form eines Kastens mit einer rechtwinkligen, beispielsweise quadratischen Außenfläche 22 und Seitenwänden 24, die sich senkrecht zu der Fläche 22 erstrecken, und deren Enden 26 nach innen umgebogen sind. Wie deutlicher noch in Fig. 3 zu sehen ist, sind die Seitenwände 24 in ihren Mitten durch Fixierklauen 30 verlängert, die zum Inneren des Kastens hin geneigt sind und dabei einen Winkeln von einigen Grad (etwa 10º) bezüglich der Senkrechten auf der Fläche 22 bilden.

Die Verkleidungselemente 20 bestehen aus einem Material, welches erhöhten Betriebstemperaturen zu widerstehen vermag, typischerweise in der Größenordnung von 800 bis 1500ºC bei einem Raumfahrzeug. Dieses Material ist beispielsweise ein Verbundstoff mit einer Keramikmatrix (CMC), beispielsweise ein Material aus einer Kohlenstoffaserstruktur, die durch eine Siliziumcarbid-Matrix verdichtet ist. Die Fertigungsverfahren von CMC sind bekannt. Im vorliegenden Fall läßt sich die Faserverstärkung realisieren, indem durch Auflegen von zweidimensionalen oder mehrlagigen Schichten auf ein Werkzeug ein Vorformling gebildet wird, um der Verstärkung die Form des Kastens 20 zu verleihen. Die Verdichtung des Vorformlings durch die Keramik-Matrix läßt sich erreichen durch chemisches Infiltrieren aus der Dampfphase und/oder durch Imprägnieren mit Hilfe einer Vorläuferflüssigkeit der Matrix und Umwandlung des Vorläufermaterials in Keramik durch Wärmebehandlung.

Die Abmessungen der Verkleidungselemente sind bezüglich der Flächen 22 beschränkt, da ihr Nebeneinanderliegen eine Fläche bildet, welche die gewünschten geeigneten aerodynamischen Eigenschaften aufweisen soll, wobei die Flächen gleicnzeitig groß genug sein sollen, um eine große Anzahl von Elementen kleiner Abmessungen zu vermeiden, die die Probleme der Montage und Befestigung erhöhen. Typischerweise können die Flächen 22 für einen Wärmeschutz eines Raumfahrzeugs und eines Überschallflugzeugs Quadrate von einigen zehn Zentimetern Seitenlänge sein. Außerdem sei angemerkt, daß auch andere als quadratische Formen für die Verkleidungselemente in Betracht kommen, beispielsweise Polygonformen, wobei Anzahl und Anordnung der Fixierklauen entsprechend angepaßt werden.

Das Innere jedes Verkleidungselements 20 ist mit einem Wärmeisolierstoff 16 ausgefüllt (s. Fig. 2). Das als Wärmeisolierstoff 16 verwendete Material ist ein Material geringer Dichte, beispielsweise ein Material aus keramischen Lagen mit einer reflektierenden metallischen Verkleidung, wie es in den französischen Patentanmeldungen 2 611 251 und 2 657 414 beschrieben ist, oder ein Filz aus Aluminiumsilikat-Fasern. Es ist auch möglich, den Isolierstoff in Form eines starren Blocks aus poröser Keramik auszubilden, beispielsweise in Form eines Keramikblocks aus Aluminlumsilikat, eventuell verstärkt durch kurze Fasern. In letzterem Fall kann der Isolierstoffblock als Werkzeug dienen, um die Vorform des Verbund-Verkleidungselements herzustellen, wie es in der französischen Patentanmeldung 93 02 703 vom 9. März 1993 der Anmelderin beschrieben ist.

Die Dicke des Isolierstoffs 16 entspricht der Größe der Seitenwände 24 des Verkleidungselements. Die Qualität dieses Isolierstoffs wird in Abhängigkeit der zu erwartenden Temperaturniveaus ausgewählt. Bei der betrachteten Anwendung bei einem Raumfahrzeug oder einem Überschallflugzeug ist bei einem Isolierstoff aus einer Lage aus Aluminiumsilikat-Fasern eine Dicke von einigen Zentimetern, beispielsweise zwischen 2 und 10 Zentimeter, wünschenswert.

Die Kugelkopfverbindungen 40 (in Fig. 1 nicht dargestellt), die im folgenden detailiert erläutert werden, gewährleisten die Verbindung zwischen den Fixierklauen 30 und der Hauptstruktur 12. Im dargestellten Beispiel sind die Fixierklauen 30 aus dem gleichen Material hergestellt wie das Verkleidungselement 20, und sie sind mit diesem einstückig hergestellt. Wenn das zu berücksichtigende Niveau der Betriebstemperatur es zuläßt, können die Fixierklauen durch Metallstücke gebildet werden, die beispielsweise durch Vernieten an den Seitenwänden 24 angebracht sind.

Die Fixierklauen 30 und die Verbindungseinrichtungen 40 definieren zwischen den mit dem Isolierstoff 16 ausgestatteten Verkleidungselementen 20 und der Hauptstruktur 12 einen Zwischenraum. Dieser Zwischenraum ist mit einem Isolierstoff 18 ausgefüllt, der beispielsweise die gleiche Beschaffenheit wie der Isolierstoff 16 besitzt. Der Isolierstoff 18 kann auf die Hauptstruktur aufgeklebt sein, wobei seine Dicke so gewählt ist, daß eine Sicherheitsfunktion gewährleistet ist, falls ein Verkleidungselement abreißen sollte.

Eine Lücke 32 (Fig. 1) ist zwischen den benachbarten Seitenwänden der benachbarten Verkleidungselemente belassen, einzig und allein mit dem Zweck, auf Wärmeausdehnungen zurückzuführende Dimensionsänderungen auszugleichen. Die Lücke 32 ist mit einer Fugendichtung aus einem nicht starren Material, welches hohen Temperaturen standhält, ausgefüllt. Man kann das gleiche Material wie für den Isolierstoff 16 verwenden, beispielsweise einen Filz oder ein Tuch aus Aluminiumsilikat-Fasern. Tatsächlich wird eine Fuge zwischen zwei Verkleidungselementen durch zwei Teile 34 gebildet, die an die äußeren Flächen der Wände der beiden Elemente angeklebt sind, beispielsweise mit einem Keramikkleber (Fig. 2).

Die so ausgebildete Fuge belegt im wesentlichen das gesamte Volumen zwischen den Verkleidungselementen. Sie gewährleistet einerseits die Kontinuität der äußeren Oberfläche der Verkleidungselemente und andererseits die Wärmeisolierung der Verbindungseinrichtungen 40 gegenüber der Außenumgebung. Eine (nicht gezeigte) Füllung aus Fasern in Form eines Filzes oder eines Faservueses kann in dem Raum 33 um die Fixierklauen 30 und die Verbindungseinrichtungen 40 herum angeordnet sein, um den Durchgang heißer Gase durch Unterdruck- Räume zu vermeiden und die Durchgängigkeit des Isolierstoffs 18 zu gewährleisten.

In den Figuren 5 und 6 ist eine Kugelkopfverbindung 40 im einzelnen dargestellt. Bei den Bauteilen der Verbindungseinrichtung handelt es sich um Metallteile.

Eine mit einem Kugelkopf 44 ausgestattete Schraubenspindel 42 ist mit einem Ende in einen Ring 46 eingeschraubt. Dieser besteht aus einem Stück mit zwei Flanschen 48 eines Trägerteils 50, welches am Ende der Fixierklaue 30 befestigt ist. Zu diesem Zweck besitzt diese einen Mittelausschnitt 38 an ihrem Ende (Fig. 4), die die Aufnahme des Rings 46 ermöglicht, während die Flansche 48 das Ende der Verbindungsklaue 30 umfassen und an dieser mittels Nieten 52 fixiert sind.

Der Kugelkopf 44 ist in einer eine entsprechende Form aufweisenden Ausnehmung 62 eines Aufnahmeteils 60 aufgenommen. Letzteres trägt eine Fußplatte 64, die an der Hauptstruktur mittels Nieten 66 angebracht ist und einen Körper 68 lagert, in welchem die Ausnehmung 62 ausgeformt ist. Ein Haltezapfen 70 kann in einer Bohrung 72 gleiten, die seitlich in die Ausnehmung 62 mündet. Der Zapfen 70 hat ein konkaves Ende in Form einer Kugelkalotte, die sich an den Kugelkopf 44 anlegt und sich dabei an dessen Form ansehmiegt. An seinem anderen Ende wird der Zapfen 70 von einer Rampe 74 eines Teils oder Schubriegels 76 beaufschlagt. Dieser kann in einem Kanal 78 gleiten, der in dem Element 60 ausgeformt ist und unter der Einwirkung einer Feder 80 steht. Letztere übt auf den Schubriegel 76 eine Rückstellkraft aus, welche über die Rampe 74 den Zapfen 70 derart zu stoßen trachtet, daß er den Kugelzapfen 44 in der Ausnehmung 62 verriegelt. Diese Anordnung gewährleistet durch den Teileffekt die Irreversibilität der Verriegelung bei Fehlen einer äußeren Einwirkung auf den Schubriegel 76. Da nämlich der Zapfen 70 senkrecht zur Wirkung der Feder transiatorisch bewegbar ist, kann der Kugelkopf 44 sich nicht durch einfaches Ziehen an der Spindel 42 federnd lösen.

Die von der Feder 80 auf den Schubriegel 76 ausgeübte Rückstellkraft ist nach innen, d. h. in Richtung der Hauptstruktur 12 gerichtet. Die Feder 80 stützt sich an einem Bügel 82 ab, die sich über dem Körper 68 erhebt. Der Schubriegel 76 ist mit einem Zapfen 84 ausgestattet, der von der Feder 80 umgeben ist und mit seinem oberen Ende eine in dem Bügel 82 ausgebildete Bohrung durchsetzt. Das obere Ende des Zapfens 84 besitzt ein Loch 86, welches den Zapfen in Querrichtung von einer Seite zur anderen durchsetzt, und durch das ein Draht läuft, der eine Schlinge bildet. Diese erstreckt sich in die Lücke zwischen den benachbarten Modulen und zwischen den zwei Teilen der Fuge 34 in der Weise, daß sie von außerhalb des Wärrneschutzes leicht zugänglich ist.

Es kann ein Sicherheitssperrsystem vorgesehen sein, beispielsweise für den Fall eines Ausfalls der Feder 80, so zum Beispiel ein Federstift 90 (nur in Fig. 5 dargestellt), der eine Versetzung des Zapfens 70 verhindert. Das Zurückziehen des Stifts kann mit Hilfe eines Drahts ähnlich dem Draht 88 vorgenommen werden.

Das Entriegeln des Kugelkopfs 44 erfolgt durch Zug an dem Zapfen 84 des Schubriegels 76 mit Hilfe des Drahts 88 oder durch Einführen eines Greifers in die Lücke zwischen den zwei Fugenteilen 34. Vorher ist der Sicherheitsstift in der gleichen Weise abgezogen worden. Dieser Zug läßt sich in einfacher Weise von außerhalb des Wärmeschutzes her ausüben, ohne die Fuge 34 zu beschädigen. Die Größe der Lücke 32 zwischen den benachbarten Verkleidungselementen ist nämlich auf einen Wert beschränkt, der gerade ausreicht, die Wärmeausdehnungen aufzunehmen, d. h. beim betrachteten Beispiel auf ewta 1 mm. Bei der dargestellten Ausführungsform in den Figuren 1 bis 6 hat die Lücke 32 eine konstante Breite, was die Ausbildung der Fuge 34 vereinfacht. Diese ist flach und dünn, es können unterschiedliche Materialien verwendet werden, beispielsweise einfache Gewebe. In gewissen Fällen kann die geringe Breite der Lücke 32 sogar dazu führen, den Wegfall der Fuge 34 in Betracht zu ziehen.

Zu diesem Vorteil kommt noch die besondere Einfachheit der Montage und der Abnahme des Wärmeschutzmoduls hinzu. Darüberhinaus ermöglicht es das Vorhandensein der Kugelköpfe an den Enden der in die Ringe 46 eingreifenden Schraubenspindeln 42 durch Festschrauben oder Losschrauben der Spindeln 42, den Abstand zwischen den Fixierklauen und den Kugelköpfen zu variieren und die Stellung der Verkleidungselemente präzise einzustellen, um die gewünschte aerodynamische Form zu erhalten. Diese Möglichkeit der Einstellung gestattet das Kompensieren von Abmessungsfehlern der Hauptstruktur, der Verkleidungselemente und der Verbindungseinrichtungen, und man kann größere Fertigungstoleranzen für die verschiedenen Teile hinnehmen. Schließlich begrenzt das Vorhandensein eines Abschnitts 43 verringerten Querschnitts zwischen der Spindel 42 und dem Kugelkopf 44 in beträchtlicher Weise Wärmeübertragungen durch Wärmeleitung zwischen den Verkleidungselementen und der Hauptstruktur.

Die Anordnung der Verkleidungselemente in Fünfpunktanordnung (Fig. 1) hat zur Folge, daß an zwei einander abgewandten Seiten die Fixierklauen den Fixierklauen der benachbarten Elemente gegenüberliegen, während an zwei weiteren Seiten die Fixierklauen den Lücken zwischen benachbarten Elementen gegenüberliegen.

In ersterem Fall enthalten die Kugelkopf-Verbindungseinrichtungen zwei identische Aufnahmestücke 60, 60', die Kopf bei Fuß auf der selben Fußplatte 64 gelagert sind, wie dies in Fig. 5 gezeigt ist.

Im zweiten Fall ist ein einzelnes Aufnahmestück vorgesehen.

In beiden Fällen erfolgt die Anordnung der Aufnahmen in der Weise, daß die Betätigungszapfen, wie z. B. der Zapfen 84, etwa senkrecht bezüglich der Lücke zwischen zwei Fugenteilen 34 liegen, wobei der Draht 88 sich dann folglich etwa senkrecht zu der Hauptstruktur erstreckt.

Figuren 7 und 8 zeigen Ausführungsvarianten der Kugelkopfverbindung.

Im Fall der Fig. 7 ist der Kugelkopf 144 an einem Ende einer hohlen Hülse 142 befestigt, die über eine Schraubenspindel 146 geschraubt ist und in ihrer Lage an der Spindel mit Hilfe einer Mutter 147 gehalten wird. Die Spindel ist einstückig mit einem Lagerteil 150, welches zwei Flansche 148 aufweist, die zwischen sich das Ende der Fixierklaue 30 aufnehmen und an dieser mit Nieten 152 fixiert sind.

Der Kugelkopf 144 wird in einer eine entsprechende Form aufweisenden Ausnehmung 162 eines Aufnahmeteils 160 aufgenommen. Dieses besitzt eine Fußplatte 164, die an der Hauptstruktur durch Nieten befestigt ist, und auf der sich ein Körper 168 befindet, in dem die Ausnehmung 162 ausgeformt ist. Ein Haltezapfen 170 (analog dem Zapfen 70 nach Fig. 6) kann in einer Bohrung 172 gleiten, die in die Ausnehmung 162 mündet. An ihrem Ende, welches dem Ende, an dem der Kugelkopf 44 sitzt, gegenüberliegt, wird der Zapfen 170 von einer Rampe 174 eines Schubriegels 176 beaufschlagt. Dieser kann in einem Kanal 178 gleiten, der in dem Teil 166 ausgebildet ist und unter der Einwirkung einer Feder 180 steht. Diese übt auf den Schubriegel 176 eine Rückstellkraft aus, welche über die Rampe 174 den Zapfen 170 derart zu drücken trachtet, daß dieser den Kugelkopf 144 in seiner Ausnehmung verriegelt.

Auf diese Weise wird wie bei der Ausführungsform nach den Figuren 5 und 6 eine Keilverriegelung erzielt, jedoch ist die Rampe 144 in einer anderen Richtung als die Rampe 44 geneigt, und die von der Feder 180 auf den Schubriegel 176 ausgeübte Rückstellkraft ist bezüglich der Hauptstruktur nach außen gerichtet.

Folglich geschieht das Lösen des Kugelkopfs nicht durch Zug, sondern durch Druck auf das Ende des Schubriegels 176, der über den Oberteil des Körpers 168 vorsteht. Ein Druck auf den Schubriegel 176 ermöglicht ebenso ein Eingreifen des Kugelkopfs 144 in der Ausnehmung 162, indem der Zapfen 170 zurückgestoßen wird. Dieser Druck kann von außerhalb des Wärmeschutzes mit Hilfe eines dünnen Werkzeugs ausgeübt werden, beispielsweise eines Werkzeugs in Form einer Klinge, die zwischen den zwei Fugenteilen 34 eingeführt wird. Auch hier hat die Lücke zwischen den Verkleidungselementen eine Größe, die dem kleinsten Wert entspricht, der erforderlich ist, um Wärmeausdehnungen aufzunehmen. Die Anordnung des Aufnahmeteils 160 ist so gewählt, daß der obere Teil des Schubriegels 176 sich senkrecht unter der Höhe der Lücke zwischen den benachbarten Verkleidungselementen befindet.

In dem Fall gemäß Fig. 8 hat die Fixierklaue 30 ein rechtwinklig abgebogenes Ende, beispielsweise nach außen hin gerichtet, um eine Randleiste 31 zu bilden. Der Kugelkopf 244 befindet sich an einem Ende einer Schraubenspindel 242, deren anderes Ende durch eine in der Randleiste 31 ausgebildete Bohrung läuft. Die Spindel 242 wird in bezug auf die Fixierklaue mit Hilfe zweier Muttern 246, 248 verriegelt, die sich beiderseits der Randleiste 31 befinden.

Der Kugelkopf 244 sitzt in einer Ausnehmung 262 eines Aufnahmeteils 260, welches analog dem Teil gemäß Fig. 7 ausgebildet ist, wobei der einzige Unterschied darin besteht, daß der Schubriegel 276 in seinem unteren Bereich durch einen Betätigungsstab 282 verlängert ist, der durch eine Öffnung in der Hauptstruktur 12 läuft und am Ende einen Knopf 284 trägt.

In diesem Fall besteht die Handhabung des Schubriegels 276 mit dem Zweck des Lösens des auf den Kugelkopf 244 einwirkenden Zapfens 270 darin, daß auf den Knopf 284 zum Inneren der Hauptstruktur 12 hin ein Zug ausgeübt wird. Es ist kein Werkzeug notwendig, um von außerhalb des Wärmeschutzes Zugriff zu dem Schubriegel 276 zu erlangen.

Man sieht, daß die Handhabung vom Inneren der Hauptstruktur her nicht nur durch Zug, sondern auch durch Druck möglich ist, indem man eine Verbindungseinrichtung der Art verwendet, wie sie in den Figuren 5 und 6 dargestellt ist.

Bei den Ausführungsformen nach den Figuren 7 und 8 ist ebenso wie bei der nach den Figuren 5 und 6 der Abstand zwischen dem Kugelkopf und der Fixierklaue durch Festschrauben oder Losschrauben einstellbar, um die Lage des Verkleidungselements zu justieren.

Das Verkleidungselement 20 nach Fig. 3 besitzt Fixierklauen, die sich mittig bezüglich der Seiten befinden. Diese Anordnung ermöglicht das Minimieren von abträglichen mechanischen Spannungen im Bereich der Fixierklauen, wobei die Spannungen sich aus den unterschiedlichen Wärrneausdehnungen zwischen dem Verkleidungselement und der Hauptstruktur ergeben.

Es ist auch möglich, Fixierklauen im Bereich der Winkel des Verkleidungselement anzuordnen, wie dies in den Figuren 9 und 10 dargestellt ist. Das Verkleidungselement 320 hat die Form eines Kastens mit einer etwa rechteckigen Außenseite 322 und Seitenwänden 324, deren äußeres Ende nach innen gefaltet ist. Die Seitenwände 324 sind an den Winkeln des Kastens 320 miteinander durch ebene Flächen verbunden, die zum Inneren des Kastens geneigte Schnittflächen 328 bilden, die einen Winkel von einigen Grad (etwa 10º) bezüglich der Fläche 322 bilden. Jenseits der Seitenflächen 324 sind die Schnittflächen 328 durch Fixierklauen 330 verlängert, die sich senkrecht zu der Fläche 322 erstrecken. Die Orientierungen der Fixierklauen 330 sind so, daß diese senkrecht zu Ebenen senkrecht auf der Fläche 322 verlaufen, welche deren Diagonalen enthalten.

Das Vorhandensein der Schnittflächen 328 in den Winkeln des Verkleidungselements kann zu der Notwendigkeit führen, daß in diesen Winkeln die eine gleichmäßige Dicke aufweisende Fuge 334 vervollständigt wird durch eine Winkeldichtung 335.

Die Verbindung zwischen einer Fixierklaue 333 und der Hauptstruktur 12 erfolgt mit Hilfe einer Kugelkopf-Verbindungseinrichtung 340, die beispielsweise analog zu der in Fig. 5 und 6 dargestellten Einrichtung ausgebildet ist.


Anspruch[de]

1. Wärmeschutzvorrichtung, insbesondere für Luft- und Raumfahrzeuge, gebildet aus einer Mehrzahl von nebeneinander liegenden Elementarmodulen (10), die jeweils ein Verkleidungselement (20; 320) mit Fixierklauen (30; 330), in das Wärmeisolierstoff (16) integriert ist, aufweisen, und starre Verbindungsmittel (40; 340) zum lösbaren Verbinden der Fixierklauen an einer zu schützenden Hauptstruktur (12), dadurch gekennzeichnet, daß die Lücke zwischen benachbarten Verkleidungselementen (20; 320) begrenzt ist auf einen Wert, der etwa dem kleinsten Wert entspricht, der benötigt wird, um Wärmedehnungen der Verkleidungselemente aufzunehmen, und daß die starren Verbindungsmittel zum Verbinden einer Fixierklaue (30; 330) eines Elementarmoduis mit der Hauptstruktur einen Kugelkopf (44; 144; 244) aufweisen, der an der Fixierklaue verstellbar befestigt ist und im Inneren einer enstprechenden Ausnehmung (62, 162, 262) eines an der Hauptstruktur (12) fixierten Aufnahmeteils (60, 160, 260) arretiert ist, wobei die Arretierung des Kugelkopfs (44; 144; 244) in seiner Ausnehmung mittels eines Zapfens (70; 170; 270) erfolgt, der durch eine gegen eine elastische Rückstellkraft ausgeübte Einwirkung lösbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Arretierzapfen (70; 170; 270) in einer Richtung etwa senkrecht zu der elastischen Rückstellkraft beweglich ist, wobei diese auf ein Glied (76; 176; 276) einwirkt, welches eine selbstsperrende Rampenfläche aufweist, an der der Arretierzapfen anliegt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Lösen des Arretierzapfens (70) durch Ausüben von Zug auf das Glied (76) von außerhalb der Wärmeschutzvorrichtung durch eine Lücke zwischen benachbarten Elementarmodulen hindurch erfolgt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zug mit Hilfe eines Drahts (88) ausgeübt wird, der dauerhaft an dem Glied (76) fixiert ist und sich durch die Lücke hindurch erstreckt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Lösen des Arretierzapfens (170) realisiert wird durch Druck auf das Glied (76) von außerhalb der Wärmeschutzvorrichtung durch eine Lücke zwischen benachbarten Elementarmodulen hindurch.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Lösen des Arretierzapfens (370) erreicht wird durch Einwirkung auf das Glied (276) von der Innenseite der Hauptstruktur (12) her.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kugelkopf (44; 144; 244) an der Fixierklaue (30) verstellbar fixiert ist durch Festschrauben oder Losschrauben eines Teils, welches den Kugelkopf trägt, um den Abstand zwischen der Fixierklaue und dem Kugelkopf so zu variieren, daß die Stellung des Verkleidungselements als Funktion einer gewünschten aerodynamischen Form unabhängig von Bemessungsfehlern des Verkleidungselements, der Hauptstruktur und der Verbindungsmittel eingestellt wird.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verkleidungselemente (20) die Form einer Kassette mit einer Außenfläche (22; 322) und Seitenwänden (24; 324) senkrecht zu der Außenfläche aufweisen.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verkleidungselemente (20) eine polygonale Außenfläche (22) aufweisen, wobei die Fixierklauen (30) in den Mitten der Seiten der Verkleidungselemente angeordnet sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verkleidungselemente (320) eine quadratische Außenfläche aufweisen, wobei die Fixierklauen (330) sich an den Winkeln der Verkleidungselemente befinden und sich entgegen der Außenfläche senkrecht zu den Ebenen erstrecken, die senkrecht zu der Außenfläche verlaufen und deren Diagonalen enthalten.







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