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Dokumentenidentifikation DE69828399T2 01.12.2005
EP-Veröffentlichungsnummer 0000991571
Titel Wärmeisolierabdeckungen und insbesondere Wärmeschutz für ein Raumfahrzeug
Anmelder The Boeing Co., Seattle, Wash., US
Erfinder SHOREY, W., Mark, Des Moines, US
Vertreter Patent- und Rechtsanwälte Kraus & Weisert, 80539 München
DE-Aktenzeichen 69828399
Vertragsstaaten DE, FR
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 16.06.1998
EP-Aktenzeichen 989302716
WO-Anmeldetag 16.06.1998
PCT-Aktenzeichen PCT/US98/12487
WO-Veröffentlichungsnummer 0099000303
WO-Veröffentlichungsdatum 07.01.1999
EP-Offenlegungsdatum 12.04.2000
EP date of grant 29.12.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 01.12.2005
IPC-Hauptklasse B64G 1/58
IPC-Nebenklasse F16L 59/02   

Beschreibung[de]
Hintergrund der Erfindung 1. Bereich der Erfindung

Diese Erfindung betrifft den Bereich von Wärmeisolierabdeckungen und insbesondere einen Wärmeschutz für ein Raumfahrzeug.

2. Hintergrundinformation

Wiederverwendbare Raumfahrzeuge, wie z. B. das Space Shuttle, benötigen eine Wärmeisolation, um das Fahrzeug vor Hitze während eines Wiedereintritts zu schützen. Momentan werden flexible gesteppte Keramikabdeckungen verwendet, um einen Abschnitt des Äußeren von solchen Fahrzeugen zum Hitzeschutz zu überdecken. Die flexiblen Abdeckungen sind gewöhnlicher Weise einige Fuß lang. Sie sind aus einer Keramikfaserwatte, welche von einem keramischen Abdeckungsstoffmaterial umgeben ist, konstruiert, welches mit einem Keramikfaden gesteppt ist, um eine Abdeckung von einem oder zwei Zoll Dicke auszubilden. Diese werden typischerweise an dem Fahrzeugäußeren durch einen Siliziumgummiklebstoff angebracht. Durch Klebstoff an einer Struktur angeklebte Abdeckungen widerstehen häufig hohen akustischen Belastungen, zum Beispiel der Größenordnung von 165 dB, nicht. Akustische Belastungen dieser Größenordnung bewirken häufig, dass die Steppfäden brechen und die Watte sich auftrennt und aufgedunsen ist. Dies verringert die Leistungsfähigkeit der Isolierabdeckung auf ein nicht akzeptables Niveau.

Die Abdeckungen müssen zur Inspektion und Reparatur häufig entfernt und ersetzt werden. Das Verfahren eines Anbringens und Entfernens der Abdeckungen ist zeitaufwändig und teuer. Die Zeit zwischen zwei Einsätzen für wiederverwendbare Raumfahrzeuge ist ansteigend kritisch bezüglich seines Erfolges und die Zeit, welche zur Entfernung und der Ersetzung der mit Klebstoff angebrachten Isolierabdeckungen benötigt wird, ist ein Hinderungsgrund, um Ziele für eine Zeit zwischen zwei Einsätzen für zukünftige wiederverwendbare Raumfahrzeuge zu erzielen.

Daher wird ein Mittel zum raschen Anbringen und Entfernen von flexiblen Abdeckungen benötigt, was eine sehr geringe Qualifikation erfordert, um eine vollständige und sichere Montage mit einer minimalen Möglichkeit für einen menschlichen Fehler in einer Weise sicherzustellen, welche der Abdeckung ermöglicht, den extremen akustischen Belastungen, welchen sie während eines Starts ausgesetzt ist, zu widerstehen.

Aus der australischen Gebrauchsmusteranmeldung AU 617 283 ist eine Wärmeisolierabdeckung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt, welche zusätzlich eine Metallmasche zum Schutz der Abdeckung umfasst. Abdeckungen wie diese mit Metall auf der Außenseite sind zum Schutz von wiederverwendbaren Raumfahrzeugen, wie z. B. dem Space Shuttle, auf Grund der hohen Temperaturen, welchen das Metall ausgesetzt sein würde, nicht geeignet. Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Wärmeisolierabdeckung bereitzustellen.

Die vorliegende Erfindung stellt deshalb eine Wärmeisolierabdeckung (10) bereit, welche derart ausgestaltet ist, dass sie an einer Struktur entfernbar angebracht werden kann, wobei sie umfasst

  • – eine Watteschicht (12);
  • – eine Umkleidung (14), welche die Watteschicht umgibt; gekennzeichnet durch:
  • – einen relativ zu der Watte im Wesentlichen steifen Rahmen (20), welcher an einer Seite der Watteschicht angeordnet ist; und
  • – Befestigungsmittel (38), welche an dem Rahmen angebracht sind und sich von der Umkleidung nach außen erstrecken.

Eine erfindungsgemäße Wärmeisolierabdeckung kann an der Seite des Rahmens angebracht werden, wobei die Watteschicht für eine Wärmeisolierung sorgt.

Zusammenfassung der Erfindung

Bei einer Ausführungsform ist die Erfindung ein System, um eine Wärmeisolierabdeckung an einer Struktur, wie z. B. einer äußeren Oberfläche eines Raumfahrzeuges, entfernbar anzubringen. Die Abdeckung ist aus einer Schicht aus Watte mit einem im Wesentlichen steifen Rahmen, welcher an einer Seite angeordnet ist, und einer Umkleidung (vorzugsweise einem Gewebe), welche die Watteschicht umgibt, ausgebildet. Die Umkleidung ist derart ausgestaltet, dass sie den Rahmen an Ort und Stelle auf der Oberfläche der Watte hält. Vorzugsweise ist die Abdeckung gesteppt. Für Anwendungen bei einem Raumfahrzeug sind die Watte, die Umkleidung und ein Steppfaden Keramikfasermaterialien, welche zur Anwendung bei einer hohen Temperatur geeignet sind.

Lösbare Befestigungsmittel sind an dem Rahmen angebracht und erstrecken sich durch die Umkleidung. Die entsprechenden Befestigungsmittel sind auf der Struktur in einer Anordnung angebracht, dass sie derart angeordnet sind, dass sie sich mit den Befestigungsmitteln, welche sich von der Abdeckungsumkleidung erstrecken, in Eingriff befinden. Eine flache oder gekrümmte Abdeckung kann mit einem Rahmenmaterial versehen sein, welches mit der gewünschten Krümmung ausgestaltet sein kann.

Eine erfindungsgemäße Abdeckung kann von einem Arbeiter mit einer geringen oder keinen speziellen Qualifikation rasch angebracht und entfernt werden. Sie bleibt unter den akustischen Belastungen eines Raketenstarts sicher befestigt. Die Abdeckung ist besser geeignet, der akustischen Belastung zu widerstehen, als sie es mit dem momentan verwendeten Verfahren eines Anbringens mit Klebstoff wäre, da der Rahmen und die mechanischen Befestigungsmittel eine gewisse Bewegung der Abdeckung während der akustischen Belastung erlauben, was die schädlichen Effekte der Belastung ableitet.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

1 ist eine perspektivische teilweise aufgeschnittene Ansicht einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform.

2 ist eine Draufsicht einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform von oben.

3 ist eine Draufsicht der Ausführungsform in 2 von unten.

4 ist ein Detail des Rahmens der Ausführungsform in 2.

5 ist ein Detail der Ecke des Rahmens in 4.

6 ist ein Querschnitt der Ausführungsform in 2.

7 ist ein Querschnitt der Ausführungsform in 2, wobei eine Alternative zur Anordnung und Umkleidung des Rahmens dargestellt ist.

8 ist ein Detail der Ecke des Rahmens in 4, welcher zur Verwendung mit einem schnell zu lösenden Befestigungsmittel ausgestaltet ist.

9 ist eine Darstellung teilweise im Querschnitt der an einer Struktur angebrachten Abdeckung.

Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform

Zu Darstellungszwecken ist eine flache rechtwinklige Abdeckung von ungefähr 0,186 m2 (zwei Quadratfuß) und ungefähr 2,54 cm (1 Zoll) Dicke dargestellt, obwohl Abdeckungen von irgendeiner Größe erfindungsgemäß hergestellt werden können. Die dargestellte Ausführungsform ist insbesondere zum Einsatz bei einem Raumfahrzeug geeignet, obwohl erfindungsgemäß konstruierte Abdeckungen mit einer geeigneten Wahl von Materialien für irgendeine Isolierungsanwendung hergestellt werden können. Zum Beispiel könnten erfindungsgemäße Abdeckungen bei industriellen Anwendungen eingesetzt werden, welche zum Beispiel Brennkammern oder Öfen betreffen oder um das Innere eines handelsüblichen Flugzeugs zu isolieren.

Mit Bezug zu den Figuren ist eine Isolierungsabdeckung 10 gemäß einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform zum Einsatz als fortgeschrittene flexible wieder verwendbare Oberflächenisolierung (AFRSI) auf einem wieder verwendbaren Raumfahrzeug geeignet. Zum Einsatz bei einem Raumfahrzeug werden die verwendeten Materialien bezüglich einer hohen Hitzebeständigkeit und eines geringen Gewichts gewählt. Die Abdeckung 10 ist vorzugsweise aus einer Keramikwatte 12 mit einer geringen Dichte eines Materials, wie z. B. Siliziumdioxid oder Aluminiumoxid, hergestellt. Solch eine Watte ist handelsüblich verfügbar, wie zum Beispiel die Watte, welche unter der Handelsbezeichnung SAFFIL von ICI verkauft wird. Eine aus einem gewebten Keramikmaterial hergestellte Verkleidung 14, welches z. B. unter der Handelsbezeichnung NEXTEL 312 oder NEXTEL 440 verkauft wird, ist um die Watte 12 herum angeordnet. Die Abdeckung 10 ist zusammen mit einem Keramikfaden 16, wie z. B. dem Nähfaden NEXTEL 440 (auch bei 3M Corporation verfügbar), gesteppt oder genäht. Bei der dargestellten Ausführungsform wird ein quadratisches Steppmuster verwendet.

Bezugnehmend auf 1 ist ein Rahmen 20 entlang des Bodens der Watte 12 in der Nähe des Umfangs der Abdeckung 10 angeordnet. Wenn die Gesamtgröße der Abdeckung 10 groß genug ist, dass sie eine zusätzliche Halterung erfordert, kann eine Traverse 22 über die Breite des Rahmens 20 vorhanden sein.

Der in 1 dargestellte Rahmen 20 ist aus einem Rohrmaterial mit einem rechteckigen Querschnitt konstruiert. 2-8 stellen eine bevorzugte Ausführungsform des Rahmens 24 dar, bei welchem ein hohles Titanrohrmaterial mit einem kreisförmigen Querschnitt von 0,635 cm (0,25 Zoll) verwendet wird. Titan ist wegen seines leichten Gewichts und wegen seiner Fähigkeit, hohen Temperaturen zu widerstehen, vorzuziehen. Eine Rahmenquerschnitt und eine Rohrwanddicke werden vorzugsweise bezüglich der gewünschten Wärme- und Biegesteifigkeitseigenschaften gewählt. Ein größerer Querschnitt sorgt für mehr Biegesteifigkeit aber verdrängt mehr Watte. Die kreisförmige Rohrgröße von 0,635 cm (0,25 Zoll) ist zum Einsatz bei einem Raumfahrzeug vorteilhaft, da sie eine ausreichende Biegesteifigkeit ermöglicht, aber nicht so viel Watte verdrängt, dass ein unerwünschtes übermäßiges Aufheizen des Rahmens verursacht wird. 4 stellt den Rahmen 24 mit einer Traverse 26 dar. Winkelplatten 28 sind an Winkeln 27, welche die Rahmenecken ausbilden, durch Schweißen, Nieten oder andere Mittel befestigt, um den Rahmen in der gewünschten Form zu halten. Die Traverse 26 ist in T-Stücken (nicht dargestellt) mit ähnlichen Eckplatten befestigt. Rohrwinkel, T-Stücke und Eckplatten aus rostfreiem Stahl sind zum Einsatz bei einem Raumfahrzeug akzeptabel.

Der Rahmen 24 kann auf verschiedene Arten unter der Umkleidung 10 auf der Abdeckung 10 befestigt sein. Nähen in einer Reihe entlang einer Seite der Rahmenelemente unterstützt ein Halten an Ort und Stelle. 6 stellt eine Ausführungsform dar, wobei sich der Rahmen 24 auf der Oberfläche der Überdeckungsschicht 30 befindet, welche den Boden der Abdeckung 10 überdeckt. Die Seitenabschnitte 32 der Umkleidung 14 überlappen dann den Rahmen 24 und werden an der Bodenschicht 30 angenäht, wobei vorzugsweise derselbe Fadentyp wie für das Steppen verwendet wird.

7 stellt eine Ausführungsform dar, wobei der Rahmen 24 in der Watte 12 eingelassen ist, wobei die Seitenabschnitte 32 der Überdeckung 14 ringsherum überlappen, um den Umfang des Rahmens zu überdecken. Wobei eine Traverse 26 vorhanden ist, welche durch einen getrennten Streifen 34 eines Umkleidungsstoffes überdeckt sein kann, um eine Abnutzung oder unerwünschte Aufheizungseffekte zu vermeiden, wo es zu einem direkten Kontakt mit der Struktur kommt, an welcher die Abdeckung angebracht wird. Die Ausführungsform der 7 ist vorteilhaft, da für eine im Wesentlichen flache Bodenoberfläche gesorgt ist, wobei der Rahmen 24 bündig mit der Bodenoberfläche ist. Beim Einsatz bei einem Raumfahrzeug verbessert dies den Widerstand gegenüber einem Flattern und verringert die Möglichkeit einer Gasströmung zwischen der Abdeckung und der Fahrzeugoberfläche.

Zur entfernbaren Montage der Abdeckung 10 an einer Struktur kann eine Vielzahl von lösbaren Befestigungsmitteln, wie z. B. Gewebeschnappbefestigungen, Haken- und Schlaufen-Befestigungsmittel oder andere schnell zu lösende Befestigungsmittel eingesetzt werden, solange die Materialien mit der Umgebungstemperatur, in welcher sie verwendet werden, und mit den gewünschten Leistungseigenschaften vereinbar sind. Die von Fairchild Company verkauften schnell zu lösenden Befestigungsmittel 38 (siehe 8 und 9) sollten für einen Einsatz bei Raumfahrzeugen aufgrund ihres sicheren Befestigungsmechanismus, der Einfachheit, mit welcher ein Installateur erkennen kann, ob sie sich vollständig in Eingriff befinden (durch ein hörbares Klicken und eine tastbare Rückmeldung), und der Geschwindigkeit, mit welcher sie, wenn es erwünscht ist, gelöst werden können, als vorzuziehen erachtet werden. Die Befestigungsmittel 38 können aus Titan hergestellt werden, welches für eine Verwendung bei einem Raumfahrzeug das bevorzugte Material ist.

Die Befestigungsmittel 38 sind vorzugsweise an den Eckplatten des Rahmens 24 in der Eckhalterung 28 angebracht. Entsprechende Gegenbefestigungsmittel 40 sind an dem Äußeren 42 des Raumfahrzeugs angebracht und derart angeordnet, dass sie sich mit den Befestigungsmitteln 38 in dem Rahmen in Eingriff befinden. Wenn eine sichere Montage zusätzliche Befestigungsmittel erfordert, können Sie irgendwo entlang des Rahmens bereitgestellt werden.

Ein flacher rechtwinkliger Rahmen und eine flache rechtwinklige Abdeckung sind für illustrative Zwecke dargestellt worden. Jedoch kann auch ein gekrümmter Rahmen und eine gekrümmte Abdeckung bereitgestellt werden. Die schnell zu lösenden Befestigungsmittel von Fairchild arbeiten in einer akzeptablen Weise mit gekrümmten Abdeckungen, welche für einige Bereiche auf der Oberfläche eines Raumfahrzeugs benötigt werden. Nicht rechtwinklige Formen sind mit geeigneten strukturellen Veränderungen an dem Rahmen und der Rahmeneckausstattung möglich.

Obwohl die Erfindung mit Bezug auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist der Umfang der Erfindung nicht auf die bestimmten offenbarten Ausführungsformen beschränkt. Andere Entwürfe innerhalb der Erfindung sind für den Fachmann nach Kenntnis der vorab stehenden Lehren ersichtlich. Der Umfang der Erfindung wird daher durch die folgenden Ansprüche definiert.


Anspruch[de]
  1. Wärmeisolierabdeckung (10), welche zum entfernbaren Anbringen an einer Struktur ausgestaltet ist, umfassend

    – eine Watteschicht (12);

    – eine Umkleidung (14), welche die Watteschicht umgibt;

    gekennzeichnet durch:

    – einen relativ zu der Watte im Wesentlichen steifen Rahmen (20), welcher an einer Seite der Watteschicht angeordnet ist; und

    – Befestigungsmittel (38), welche an dem Rahmen angebracht sind und sich von der Umkleidung nach außen erstrecken.
  2. System, welches eine Wärmeisolierabdeckung nach Anspruch 1 umfasst, die an einer Struktur anbringbar ist, wobei das System weiter Gegenbefestigungsmittel (40) umfasst, welche in einer Anordnung an der Struktur derart anbringbar sind, dass sie derart angeordnet sind, dass sie sich mit den Befestigungsmitteln, welche sich von der Umkleidung erstrecken, in Eingriff befinden.
  3. Abdeckung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Rahmen ein Titaniumrohrmaterial umfasst.
  4. Abdeckung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Umkleidung ein gewebtes Keramikmaterial aufweist.
  5. Abdeckung nach einem der Ansprüche 1-4, wobei der Rahmen in die Watteschicht eingelassen ist.
  6. Abdeckung nach einem der Ansprüche 1-5, wobei die Abdeckung im Wesentlichen rechteckig ist, und die Befestigungsmittel Befestigungsmittel aufweisen, welche in der Nähe der Ecken des Rahmens angebracht sind.
  7. Abdeckung nach einem der Ansprüche 1-6, weiter eine Traverse umfassend, welche zwei gegenüberliegende Seiten des Rahmens verbindet.
  8. Abdeckung nach einem der Ansprüche 1-7, wobei die Befestigungsmittel Schnellverschlüsse aufweisen.
Es folgen 4 Blatt Zeichnungen






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