DE3686220T2

DE3686220T2 - Wiederverwendbare thermische schutzelemente fuer ein stark geheiztes objekt.

Info

Publication number: DE3686220T2
Application number: DE8686401772T
Authority: DE
Inventors: Jacques Jouffreau
Original assignee: Centre National dEtudes Spatiales CNES
Current assignee: Centre National dEtudes Spatiales CNES
Priority date: 1985-08-12
Filing date: 1986-08-07
Publication date: 1993-02-18
Anticipated expiration: 2006-08-08
Also published as: EP0214893B1; EP0214893A1; FR2586080B1; US4804571A; JPS6241490A; FR2586080A1; DE3686220D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet des Wärmeschutzes und hat speziell wiederverwendbare Schutzelemente zum Gegenstand, die verwendet werden können für Objekte, die großen Erwärungen ausgesetzt sind, wie etwa Luft- oder Raumfahrtgeräte.
Wenn ein Raumfahrtgerät, das im Shuttlebetrieb eingesetzt wird, in die Atmosphäre eindringt, ist es einer sehr großen kinetischen Erwärmung ausgesetzt auf Grund der Bremswirkung, welche die Atmosphäre auf es ausübt. Die Erwärmungsperiode hängt von der Flugbahn beim Wiedereintritt ab und dauert ungefähr 15 bis 25 Minuten. Die kinetischen Flüsse sind sehr groß an der Nase des Geräts und an den Vorderkanten der Flügel und der Leitwerke, groß auf der Flügelunterseite sowie auf den Flanken des Flugzeugs und weniger groß auf der Flügeloberseite, die jedoch örtlich einer großen Erwärmung ausgesetzt ist. Daher ist ein Schutz für das Gerät unverzichtbar, um eine Beschädigung der Zelle und der Ausrüstungen und selbst den Verlust des Geräts zu verhindern, denn die erreichten Temperaturen können 1000ºC überschreiten und sogar Werte in der Größenordnung von 2000 bis 2500ºC an gewissen Stellen erreichen. Der Schutz muß von einer Zone zur anderen variabel sein in Abhängigkeit des auftretenden thermischen Flusses. Dieselben Probleme findet man bei einem sehr schnellen Gerät, welches die Atmophäre nicht verläßt.
Die gegenwärtig vorrangig benutzte Methode besteht darin, das Gerät mit Kacheln zu bedecken, von denen jede ein einzelnes Schutzelement darstellt. Tatsächlich müssen sich diese Kacheln der Form ihres Trägers anpassen und an die Ausschnitte in Form von Anschlüssen, Türen, Klappen, etc. ... Ihre Geometrie variiert folglich von Kachel zu Kachel, und das in den drei Dimensionen. Außerdem sind die an sie gestellten Anforderungen bezüglich des thermischen Flusses verschieden von einer Stelle des Geräts zur anderen. Die Isolationsdicken sind verschieden und u.u. nicht konstant für eine gegebene Kachel.
Verständlicherweise bringt dies eine Reihe von Nachteilen mit sich aufgrund der Tatsache, daß fast alle Kacheln unterschiedlich sind. Dies führt zu mehr Zeichnungen, höheren Produktionskosten wegen den notwendigen Werkzeugvarianten, großen Kosten beim Anbringen wegen der zahlreichen Konfigurationen und großen Kontrollkosten, da die Kontrollgeräte an jede Kachel angepaßt werden müssen und die Eignungsprüfungen mehrfach sind. Zudem sind die Kontrollen zwischen zwei Flügen äußerst lang und kompliziert.
Eine andere Methode besteht darin, steife Elemente herzustellen, z.B. Parallelepipedone, die einerseits einen oder mehrere hitzebestänige schutzschilde und andererseits eine isolierende Schicht in sich vereinigen. Der oder die hitzebeständigen Schilde sind der ärodynamischen Strömung ausgesetzt, während die isolierende Schicht sich zwischen dem hitzebeständigen Schild und der Struktur des Geräts befindet. Unter Umständen können die hitzebeständigen Schilde wellig sein, um die Kompensierung der Wärmeausdehnungen zu begünstigen. Dieses System präsentiert die gleichen Nachteile wie das oben beschriebene System auf Kachelbasis, denn auch jedes steife Element muß so gestaltet sein, daß es den örtlichen geometrischen und thermischen Bedingungen der Zone anpaßt ist, die es abdecken soll.
Außerdem bezieht sich das amerikanische Patent US-A-4 439 968 auf ein thermisches schutzelement für Raumfahrtgeräte.
Dieses Element setzt sich zusammen aus einem hitzebeständigen Schild mit konischer Anfangsform außen "chinesenhut"-förmig und sechseckig mit Überdeckung der Ränder zweier benachbarter Schilde. Es enthält hauptsächlich einen Hitzeschild und sein Befestigungsmittel. Für jeden Hitzeschild ist ein Befestigungsmittel vorgesehen. Dieses besteht aus einer in der Mitte des Hitzeschilds wirkenden Gewindestange. Sie erlaubt, den Hitzeschild zu deformieren und vor Zuspannen nach seiner Anbringung. Eine dicke Isolierschicht ist vorgesehen zwischen diesem Hitzeschild und dem zu schützenden Objekt. Hingegen kann dieser Schild dem Profil der zu schützenden Oberfläche nicht folgen, ausgenommen als kleines Element bei großer Quantität. Tatsächlich, wie in den Figuren gezeigt, überlappen sich diese Elemente gegenseitig an einigen ihrer Seiten, solcherart einen sehr geringen Richtungswechsel zulassend von einem Element zum anderen, so daß sie sich den Konturen der Außenfläche des zu schützenden Objekts anschmiegen. Dieser Richtungswechsel von einem Schild zum anderen muß jedoch sehr klein bleiben auf die Gefahr hin, keine generell glatte und ärodynamische Abdeckung zu erhalten mit dem Ergebnis, daß Platten herausgerissen werden.
Die vorliegende Erfindung hat den Zweck, diese Nachteile auszuschalten, indem sie ein wiederverwendbares thermisches Schutzelement zu geringen Kosten vorschlägt, das einfach herzustellen ist und erlaubt, dem Profil der zu schützenden Oberfläche genau zu folgen, einfach zu installieren auf dem zu schützenden Objekt und einfach zu kontrollieren und instandzuhalten.
Das erfindungsgemäße thermische schutzelement, dazu bestimmt ein Objekt zu schützen, das großen Erwärmungen ausgesetzt ist, enthält, auf bekannte Weise, einen Hitzeschild und eine Isolierschicht zwischen dem Hitzeschild und der Struktur des Geräts.
Der Ausdruck "großen Erwärmungen ausgesetzt", wie er in der vorliegenden Beschreibung verwendet wird, bedeutet daß das zu schützende Objekt Temperaturen von über 1000ºC ausgesetzt sein kann, in der Größenordnung von 1200 bis 1300ºC oder mehr und sogar Werte in der Größenordnung von 2000 bis 2500ºC und mehr erreichen kann.
Außerdem enthält es hauptsächlich Befestigungsmittel des Hitzeschilds auf dem Objekt, die enthalten:
- eine verlängerte Rampe;
- Befestigungsmittel dieser Rampe auf dem Objekt; und
- Befestigungsmittel des Hitzeschild auf der Rampe. Erfindungsgemäß :
- der Hitzeschild ist im allgemeinen von rechteckiger Form, wobei er zumindest ein Täfelchen aus hitzebeständigem Material enhält und ausreichend biegsam ist, um sich der Form des Objekts auf der Höhe der zu schützenden Zone anzupassen, d.h. parallel oder fast parallel zur Oberfläche des in der Zone zu schützenden Objekts, über der er sich befindet;
- die Befestigungsmittel des Hitzeschilds wirken auf zwei benachbarte und an der gleichen Stelle übereinanderliegende Hitzeschilde mit Wechselwirkung;
- die den Hitzeschild auf der Rampe in Position haltenden Mittel bestehen aus einem an den Befestigungsmitteln der Rampe auf dem Objekt festgeschraubten Profil, um die Ränder von zwei benachbarten Hitzeschilden auf der Rampe festzuhalten;
- die Befestigungsmittel der Rampe auf dem Objekt bestehen aus einem Profil oder Füßen oder Trägern, auf dem Objekt befestigt, um darauf die Rampe zu montieren;
- Die Oberfläche der Rampe, auf der zumindest ein Rand eines Hitzeschilds zu liegen kommt, ist gekrümmt, um zwei Hitzeschilde aufnehmen zu können, deren Täfelchen nicht koplanar sind;
Die Struktur dieser Befestigungsmittel des Hitzeschilds gestattet somit:
- teilzuhaben an der Erhaltung und Entstehung der Form des Hitzeschilds;
- teilzuhaben am mechanischen Widerstand des Hitzeschilds;
- die Montage von zwei aneinandergrenzenden Hitzeschilden zu ermöglichen, deren Täfelchen nicht koplanar sind;
- eine Dichtung zu gewährleisten gegen Luft, Wasser und Plasma; und
- für jedes Element, einen streifen von großer Länge bilden zu können zusammen mit identischen benachbarten Elementen, dessen Form sich überall anschmiegt an die Kontur der äußeren Oberfläche des Objekts, wobei dieser streifen dazu beiträgt, eine ärodynamisch glatte Oberfläche von kontinuierlicher Form zu bilden.
Der Ausdruck "ausreichend biegsam, um sich der Form des Objekts auf der Höhe der zu schützenden Zone anzupassen" bedeutet, daß das Täfelchen ausreichend biegsam ist, um sich bei elastischer Deformation der Oberfläche des Objekts so anzupassen, daß es parallel ist oder fast parallel zur Oberfläche des Objekts in der Zone, über der es sich befindet. Diese Kondition hat zahlreiche Vorzüge, hauptsächlich eine Reduzierung der Herstellungs- und Instandhaltungskosten durch Standardisierung der thermischen Schutzelemente und dadurch, daß diese wiederverwendbar sind. Diese und weitere Vorzüge werden dargestellt in der vorliegenden Beschreibung.
Vorzugsweise wird das Täfelchen aus einem hitzebeständigen Metall hergestellt, das ausgewählt wird aus der Gruppe, die besteht aus Niobium, Titan, Tantal und deren Legierungen sowie den Legierungen auf der Basis von Nickel oder Chrom.
In einer anderen Ausführung besteht das Täfelchen aus einem Kommpositmaterial auf Faserbasis.
Nach einem Aspekt der Erfindung kann das Täfelchen mit Versteifungsmitteln ausgestattet werden, die eventuell eine auf dem Täfelchen befestigte Tafel enthalten, auf der der Isolierschicht zugekehrten Seite angebracht.
Das wiederverwendbare thermische Schutzelement enthält eventuell eine zusätzliche Tafel, welche die mechanische Widerstandsfähigkeit des Hitzeschilds verbessert.
Es werden Mittel vorgesehen, welche die Ausdehnung des Hitzeschilds in mindestens einer Richtung aufnehmen, die eventuell wenigstens zwei Täfelchen enthalten, angebracht das eine in der Folge des anderen, wobei das eine dieser Täfelchen an einem Ende einen Absatz aufweist, der sich frei unter dem korrespondierenden Rand des anderen Täfelchens verschieben läßt, um so die Ausdehnung in Längsrichtung aufzunehmen. In diesen beiden Fällen kann das Täfelchen Längswellen enthalten um die Ausdehnung in Querrichtung aufzunehmen.
Außerdem können die Festhaltemittel des Rands des Hitzeschilds ein auf der Rampe befestigtes Profil enthalten, wobei dieses Profil zumindest einen zurückgebogenen Rand aufweist, so angeordnet, daß der Rand des Hitzeschilds sich zwischen dem Rand des Profils und der Rampe befinden kann, wobei der genannte zurückgebogene Rand ausreichend biegsam ist, um den Rand des Hitzeschilds auf der Rampe festzuhalten, dabei die Ausdehnung dieses Hitzeschilds zulassend.
Außerdem können die Befestigungsmittel des Hitzeschilds auf dem Objekt noch dazu dienen, die Isolierschicht des Hitzeschilds auf diesem Objekt zu fixieren.
Die Erfindung wird verständlicher durch die Lektüre der folgenden Beschreibung, beispielhaft und erklärend und keinesfalls einschränkend gegeben, mit Bezug auf die angefügten Zeichnungen, in denen:
- Fig. 1 eine schematische Ansicht ist, die ein Flug - oder Raumfahrtgerät zeigt, das ausgerüstet werden kann mit den erfindungsgemäßen thermischen Schutzelementen;
- Fig. 2 ist eine schematische perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines Hitzeschilds wie er verwendet wird für ein erfindungsgemäßes Schutzelement;
- Fig. 3a und 3b sind schematische perspektivische Ansichten, die zeigen, wie die Täfelchen der Hitzeschilde sich in Längsrichtung elastisch deformieren können und eventuell in Querrichtung;
- Fig. 4 ist eine schematische persPektivische Ansicht, teilweise im Schnitt, eines erfindungsgemäßen hitzebeständigen Schutzelements in vergrößertem Maßstab.;
- Fig. 5 ist eine Profilansicht, welche die relative Anordnung der Bestandteile zeigt;
- Fig. 6 ist eine schematische perspektivische Ansicht mit einem Schnitt durch ein erstes Befestigungsmittel der Hitzeschilde auf der Struktur des Geräts;
- Fig. 7a ist ähnlich Fig. 6, dabei ein zweites Befestigungsmittel der Hitzeschilde auf der Struktur des Geräts zeigend, wobei die Rampe auf Füßen ruht;
- Fig. 7b ist ähnlich Fig. 7a , dabei eine andere mögliche Anordnung der die Rampe stützenden Füße zeigend;
- Fig. 8a ist eine schematische Schnittperspektive der Ausführungsform der Fig. 7a und 7b in einer Zone, wo es keine Befestigungsschrauben des Befestigungsprofils auf der Rampe gibt;
- Fig. 8b ist ähnlich Fig. 8a in einer Zone, wo es eine Befestigungsschraube des Befestigungsprofils auf der Rampe gibt;
- Fig. 9 ist eine Ansicht ähnlich den Fig. 8a und 8b, die eine andere Form des Befestigungsprofils und des Rands der Täfelchen zeigt;
- Fig. 10 ist eine schematische Perspektive, die ein Täfelchen mit longitudinalen Wellen zeigt;
- Fig. 11 ist eine schematische Perspektive, die auf detailliertere Weise die Struktur des Profils zeigt, das dazu dient, die Ränder der Hitzeschilde auf der Rampe festzuhalten;
- Fig. 12 ist eine schematische Schnittperspektive, die zeigt, wie man eine zusätzliche Tafel anbringen kann zwischen dem Hitzeschild und der Isolierschicht;
- Fig. 13a ist eine schematische Profilansicht, die zeigt, wie die Isolierschicht in hybrider Form verwirklicht werden kann, und
- Fig. 13b ist eine perspektivische Ansicht des steifen Teils der Isolierschicht von Fig. 13a.
Fig. 1 zeigt ein Raumfahrtgerät 2, dazu bestimmt, einen orbitalen Flug auszuführen und auf die Erde zurückzukehren, sobald seine Mission beendet ist. Es kann sich auch um ein für einen suborbitalen Flug bestimmtes Gerät handeln. Beim Wiedereintritt in die Atmosphäre erfährt dieses Gerät eine sehr große Erwärmung an der Nase 4 sowie an den Vorderkanten der Flügel 6 und der Leitwerke und der Flügelunterseite 12 des Geräts, während die Erwärmung weniger groß ist entlang des Rumpfs 8 und auf der Flügeloberseite 10. Die thermischen Schutzelemente der vorliegenden Erfindung werden vor allem auf dem Rumpf 8 und auf den Flächen 10 und 12 des Geräts angewandt, was jedoch einer Abdeckung des größeren Teils der Geräteoberfläche entspricht.
Wenn man sich auf Fig. 2 bezieht, sieht man, daß in der bevorzugten Ausführungsform ein Hitzeschild 14 erfindungsgemäß sich zusammensetzt aus einem Zusammenbau dünner rechtwinkliger Täfelchen 16, nacheinander angeordnet und mit einen Streifen bildend (Täfelchen 16a, 16b, 16c,... in der Figur). Jedes Täfelchen 16 ist auf seiner Innenseite verstärkt durch eine gewellte Tafel 17, um die Steifigkeit zu erhöhen bei Bewahrung einer ausreichenden Biegsamkeit. Weiters sieht man in Fig. 2 , daß jedes Täfelchen (z.B. Täfelchen 16a auf der rechten Seite der Figur) an einem seiner Enden einen Absatz 18 enthält der sich frei unter dem entsprechenden Rand 20 des folgenden Täfelchens 16b befindet. Diese Anordnung erlaubt jedem der Täfelchen 16, sich frei auszudehnen im Moment des Wiedereintritts in die Atmosphäre, wenn das Gerät eine große Erwärmung erfährt. Jedes Täfelchen kann sich deformieren, um sich der Form des Geräts anzupassen, was z.B. erlaubt, einen ganzen Streifen entlang des Rumpfs zu verwenden, von der Nase bis zum Schwanz des Geräts oder, aus praktischen Gründen, eine Folge von kürzeren Streifen. Die Strömungsrichtung der Luft wird in Figur 2 angezeigt durch den Pfeil F und verständlicherweise verhindert die dem Absatz 18 gegebene Form ein Eindringen des plasmas unter die Täfelchen 16.
Die Fig. 3a und 3b zeigen, wie die Täfelchen sich deformieren können, um sich der Form des Geräts anzupassen. Man sieht in Fig. 3a, wie das Täfelchen 16 sich in Längsrichtung biegen kann bis es die strichpunktiert dargestellte deformierte Position 16' einnimmt. In Fig. 3b weist das Täfelchen 16 eine geringe Verwindung auf und nimmt Position 16" ein, die ebenfalls strichpunktiert dargestellt ist. Zur besseren Lesbarkeit der Zeichnung wurden die Krümmungen der Linien 16' und 16" übertrieben, denn in Wirklichkeit sind die Krümmungen viel geringer. Da die Struktur des Geräts nach zwei Richtungen gekrümmt ist, paßt man sich an, einerseits durch Längsbiegung der Hitzeschilde und andererseitS durch deren verwindung. Um diese verwindung zu erhalten, kann man die Hitzeschilde direkt mit einer geringen Verformung herstellen oder flache Elemente herstellen, wobei die Verformung eventuell durch die Befestigungsmittel erzielt werden kann.
Das in Fig. 2 gezeigte Element wird deutlicher dargestellt in Fig. 4, welche die Kontanktzone zwischen zwei aufeinanderfolgenden Täfelchen 16a und 16b zeigt. in dieser Figur sieht man den Absatz 18 des Täfelchens 16a, der sich unter den Rand 10 des Täfelchens 16b schiebt ohne große Reibung, was die Längsausdehnung der Täfelchen 16a und 16b erlaubt. Man sieht noch in der Fig. 4, daß die gewellte Tafel 17, die zur versteifung dient, sich zusammensetzt aus mehreren Teilen: einem ersten Teil 22, dessen Wellen in 24 verbunden sind mit dem Täfelchen 16a, ein gewellter Teil 23, der sich in der Nähe des Rands von Täfelchen 16a befindet, der dem Absatz 18 entspricht, und einen flachen Teil 26, der sich unter dem Absatz 18 befindet und sich fortsetzt in einem neuen Teil 22, verbunden mit Täfelchen 16b. Man kann z.B. eine gewellte Tafel mit 0,1 mm Dicke verwenden, wobei die Teilung und die Höhe der Wellen des Teils 22 ungefähr 8 bis 10 mm betragen. Die Länge des flachen Teils 26 muß ausreichend groß sein, um die relative Ausdehnung der Täfelchen 16a und 16b auf der Höhe des Absatzes 18 zuzulassen. Der Teil 23 des Blechs 17 ist nicht in Kontakt mit Täfelchen 16a : dieser Teil 23 verhält sich wie ein Blasbalg, was dem Blech 17 erlaubt, die Dehnungen der Täfelchen 16 zu absorbieren.
Selbstverständlich handelt es sich hier nur um ein Auführungsbeispiel, und man würde den Rahmen der Erfindung nicht verlassen durch ein Weglassen des Blasbalgs 23 und des flachen Teils 26, denn die Täfelchen 16 würden sich dann immer noch überdecken, aber voneinander unabhängig sein. Auch durch das Weglassen von Blech 17 würde man den Rahmen der Erfindung nicht verlassen.
Man sieht in Fig. 4 auch, daß der Rand 25 jedes Täfelchens 16 sich in der Form eines eine Rinne 28 bildenden Flansches 27 präsentiert, abgeschlossen von einem aufgebogenen Rand : der Vorteil dieser Form wird anschließend erklärt, wenn die festigungsmittel der Hitzeschilde 14 auf der Struktur des Geräts erklärt werden.
Die Fig. 5 ist ein prinzipielles Schema, das zeigt, wie die erfindungsgemäßen schutzelemente montiert werden. Man sieht in dieser Figur, daß die Hitzeschilde 14 auf der Struktur des Geräts befestigt werden durch Befestigungsmittel 32, die in der Folge detailliert beschrieben werden, während die Isolierschicht 34 zwischen der Struktur 30 und den Hitzeschilden 14 angebracht wird. Vorzugsweise sind es dieselben Befestigungsmittel 32, die sowohl die Täfelchen 14 als auch die Isolierschicht 34 befestigen. In Fig. 5 sieht man noch, daß man die Dicke der Schicht 34 variieren kann entsprechend der in den verschiedenen Zonen des abzudeckenden Geräts auftretenden Temperaturen. Z.B. ist in Fig. 5 die Schicht dick auf ihrer linken Seite 34a und sehr viel dünner auf ihrer rechten Seite 34b. So kann man die Dicke der Isolierschicht variieren, ohne die Montage der Hitzeschilde 14 zu modifizieren, was die Konstruktion und die Installation des thermischen Schutzes vereinfacht.
Die Fig. 6 zeigt eine erste Befestigungsart der Hitzeschilde 14 auf der Struktur des Geräts. Man sieht auf der linken Seite dieser Figur, wie die Isolierschicht angebracht ist zwischen einem Hitzeschild und der struktur des Geräts. Bei dieser Variante enthalten die Befestigungsmittel im wesentlichen eine verlängerte Rampe 36, mit zwei parallelen Rändern, auf denen jeweils die Längsränder 25d und 25e der zwei Täfelchen 16d und 16e aufliegen. Die Befestigung der Ränder 25d und 25e der Täfelchen 16d und 16e auf der Rampe 36 wird erzielt durch ein Profil 37 mit zwei zurückgebogenen Rändern 38d und 38e, so angeordnet, daß die Ränder 25d und 25e sich zwischen der Rampe 36 und den zurückgebogenen Rändern 38d bzw. 38e befinden. Außerdem enthalten die zurückgebogenen Ränder 38 Wellen 39, die ihnen eine gewisse Biegsamkeit verleihen und ihnen erlauben, die Ränder 25 in ihrer Stellung auf der Rampe 36 festzuhalten, wenn das Profil 37 auf der Rampe 36 befestigt ist.
Die Anpreßkraft der zurückgebogenen Ränder 38 auf die Ränder 25 der Hitzeschilde muß ausreichend groß sein, um diese auf der Rampe 36 festzuhalten, aber nicht zu groß, so daß die Ränder 25 immer noch frei gleiten können bezogen auf die zurückgebogenen Ränder 38 des Profils, wenn die Hitzeschilde sich in Querrichtung ausdehnen.
In Fig. 6 sieht man auch, daß über die Länge des Profils 37 eine gewisse Anzahl Tüllen 40 vorgesehen sind für den Durchgang der Schrauben 42, die einerseits für die Befestigung des Profils 37 auf der Rampe 36 sorgen und andererseits für die der Rampe 36 auf einem Profil 44. Dieses letztere ist auf die Struktur 30 des Geräts montiert mit einer Fußplatte 46, die mittels einer isolierenden Unterlage 48 auf der Struktur aufliegt. Außerdem ist eine gewisse Anzahl Aussparungen 50 im Profil vorgesehen, um dieses leichter zu machen.
Man sieht in Fig. 6 auch, daß die zurückgebogenen Ränder der Täfelchen 16d und 16e sehr nahe beieinander sind, wobei der Abstand zwischen ihnen gerade ausreicht, um die Ausdehnung der Hitzeschilde zuzulassen während der Erwärmung. Um den Durchgang der Tüllen 40 zuzulassen, sind auf den Längsrändern der Täfelchen 16 Einkerbungen wie etwa 31 vorgesehen, z.B. eine Einkerbung auf jedem Rand auf halber Länge der Täfelchen 16, man würde jedoch den Rahmen der Erfindung nicht verlassen durch eine Veränderung der Anzahl und der Position der Einkerbung.
Die Tiefe der Tüllen ist im wesentlichen gleich der Höhe des Kopfes 41 der Schraube 42. Mit dieser Anordnung erzielt man eine Reduzierung der ärodynamischen Störungen, und sie wird möglich durch die sehr geringe Dicke der Täfelchen 16 und des Profils 37 : die Höhe von letzterem und von der Rinne 28 sind in der Größenordnung von einigen Millimetern.
In der Variante von Fig. 7a findet man die Rampe 36 wieder, auf der die Ränder 25d und 25e der Täfelchen 16d und 16e aufliegen mittels Profil 37. Jedoch wird Rampe 36 nicht mehr durch ein Profil festgehalten, sondern durch Fußkonstruktionen 52, die sich auf der Struktur des Geräts 30 abstützen mit einer Basis 56, die auf einer isolierenden Unterlage 48 steht. Die Füße sind auch an der Rampe 36 befestigt, z.B. mittels Schrauben (nicht dargestellt). Die Rampe 36 enthält zwei nach oben weisende Ränder 36a : die Bedeutung dieser Formgebung wird weiter unten in Zusammenhang mit Fig. 8a erklärt.
Außerdem dienen die Schrauben 42 nicht mehr zum Verschrauben der Rampe im Profil sondern werden gekontert durch eine Mutter 54. Der Abstand zwischen zwei aufeinander folgende Füße 52 kann variieren im Falle von Verwerfungen der Struktur des Geräts, wie z.B. beim Vorhandensein von Strukturrahmen, internen Strukturträgern, Leitungen, Türen oder weiteren Apparaten.
Im Falle der Fig. 7b sind die Füße 52 denen in Fig. 7a ähnlich, ausgenommen daß sie zwei Befestigungslappen 60 und 62 enthalten in Längsrichtung der Rampe 36, wobei diese befestigt ist auf jedem der Lappen 60 und 62. Man kann auch Füße verwenden, die nur einen Befestigungslappen enthalten.
Die Befestigungsart der Täfelchen 16 auf der Rampe 36 erscheint besser auf der Schnittansicht der Fig. 8a. In dieser Figur sieht man, daß die Ränder 25d und 25e der Täfelchen auf der oberen Fläche 64 der Rampe 36 aufliegen. Diese Fläche ist vorzugsweise gekrümmt, was ihr erlaubt, eventuell Ränder von zwei Täfelchen 16 aufzunehmen, die nicht koplanar sind, z.B. das Täfelchen 16e und das Täfelchen 16d&sub1;, wobei letzteres auf der rechten Seite der Figur strichpunktiert dargestellt ist.
Man sieht auch, daß die entlang der Ränder des Befestigungsprofils 37 vorgesehenen Wellen 39 im Innern der Rinnen 28 auf den Flanschen 27 aufliegen. Die Wellen 39 liegen auf den Flanschen 27 auf und diese letzteren auf der oberen Fläche der Rampe 36; somit können im Falle der Erwärmung die verschiedenen Stücke aufeinander gleiten, was eine Absorbierung der Ausdehnungen zuläßt. Außerdem verhindert das Vorhandensein der sich auf Flansch 27 abstützenden Wellen 39 ein eindringen von Wasser unter das Profil 37, und die nach oben gebogenen Ränder 36a der Rampe 36 kanalisieren möglicherweise eingedrungenes Wasser. Die gesamte Höhe des Profils 37 entspricht der Tiefe der Rinne 28, so daß bei den oberen Flächen des Profils 37 und der Täfelchen 16 die einen im wesentlichen immer in der Verlängerung der anderen liegen, um die äronautischen Merkmale des Fluggeräts nicht zu verschlechtern.
Die Fig. 8b, ähnlich der Fig. 8a, zeigt die gleiche Montage, jedoch mit einer Befestigungsschraube 42. Man sieht, daß diese im Innern einer Tülle 40 untergebracht ist und auf der Rampe 36 befestigt ist mit einer Kontermutter 54. Wenn die Schrauben 42 angebracht werden, werden die Tüllen 40 auf die Rampe 36 gedrückt und bewirken, daß Profil 37 auf den Flanschen 27d und 27e der Täfelchen 16d und 16e aufliegt.
Im Fall der Fig. 9 enthalten die Ränder de Profils 37 keine Wellen sondern eine einfache Krümmung 66, während der Flansch 27 des Täfelchens 16 gekrümmt ist und nicht flach wie im Fall der Fig. 8a und 8b. Der Rand 66 liegt noch immer auf dem Flansch 27 auf und die Wirkweise ist dieselbe wie vorher. Auch in Fall der Fig. 9 ist die Höhe des Schraubenkopfs 41 gleich der Tiefe der Tülle 40.
Die Fig. 10 zeigt eine Variante, in der die Täfelchen 16d und 16e Längswellen 68 mit kleiner Amplitude aufweisen : diese Wellen bewirken eine Absorbierung der Ausdehnung in Querrichtung ohne die ärodynamische Strömung zu stören. In diesem Fall benützt man vorzugsweise keine Versteifungsmittel, wie die in Fig. 4 gezeigte gewellte Tafel, denn dies könnte die Ausdehnung behindern. Bei dieser Variante benutzt man vorzugsweise ein Profil 37, vergleichbar jenem der Fig. 9 mit zwei gekrümmten Rändern 66.
Die perspektivische Ansicht in Fig. 11 zeigt, daß in der bevorzugten Ausführungsform das Profil aus ineinandergeschobenen Elementen besteht. Diese Figur zeigt die Zusammenfügung zweier Elemente 37a und 37b. Man sieht, daß am Ende des Elements 37a dessen Ränder und folglich die Wellen 39 abgeschnitten wurden, um eine Zunge 43 zu erhalten. Letztere schiebt sich so unter Element 37b, daß die Kontinuität der oberen Flächen der Elemente 37a und 37b erhalten bleibt.
Selbstverständlich kann diese Gestaltung auch bei der Ausführungsweise nach Fig. 9 benutzt werden.
Die Fig. 12 zeigt, wie man diese Einrichtung komplettieren kann mit einer zusätzlichen Tafel als thermischem Sicherheitsschutz. Man sieht in dieser Figur den Hitzeschild 14, bestehend aus den Täfelchen 16a, 16b, 16c,..., montiert auf die Struktur 30 des Geräts mit Befestigungsmitteln 32, schematisch strichpunktiert dargestellt. Die Befestigungsmittel 32 dienen auch dazu, die Isolierschicht 34 in ihrer Position zu halten. Eine zusätzliche Tafel 70 aus hitzebeständigem Metall befindet sich zwischen dem Schild 14 und der Schicht 34 und wird auf der Struktur 30 des Geräts in Position gehalten durch Befestigungsmittel 72, ebenfalls strichpunktiert dargestellt. Die Aufgabe der zusätzlichen Tafel 70 ist, als thermische Sicherheitsbarriere zu dienen für den Fall, daß möglicherweise ein Teil des Schilds 14 herausgerissen würde ; daher ist sie nicht mechanisch mit diesem verbunden. Das Vorhandensein von Tafel 70 gestattet dem Gerät nach der Landung intakt zu bleiben, selbst wenn Tafel 70 beschädigt oder deformiert ist. Selbstverständlich würde man den Rahmen der Erfindung nicht verlassen, wenn man Tafel 70 an einer anderen Stelle anbrächte, z.B. zwischen der Isolierschicht 34 und der Struktur 30 des Geräts.
Schließlich zeigen die Fig. 13a und 13b, wie die Isolierschicht 34 in hybrider Form verwirklicht werden kann. In Fig. 13a findet man den Hitzeschild 14 auf der Struktur 30 des Geräts befestigt mit den Befestigungsmitteln 32. In dieser Variante besteht die Isolierschicht 34 einerseits aus einem steifen Waffelraster 74, auf dem sich der Hitzeschild 14 abstützt, wobei dieser Waffelraster auf der zu schützenden Oberfläche benachbarte Taschen 76 abgrenzt, und andererseits aus biegsamen Elementen 78 in den so definierten Taschen. Der Waffelraster 74 setzt sich zusammen aus einem Aufbau steifer Wände 80, im wesentlichen senkrecht angeordnet zur Struktur 30 des Geräts und zum Hitzeschild 14, wobei sich der letztere auf den steifen Wänden 80 abstützt. Diese letzteren weisen auf der Seite der Gerätestruktur 30 eine Leiste 82 auf, wo die biegsamen Elemente 78 aufliegen. Die Befestigungsmittel 32 des Hitzeschilds 14 können ebenfalls dazu dienen, die biegsamen Elemente 78 zu fixieren. Im hier dargestellten Beispiel haben die Taschen 76 die Form eines Quadrats, dessen Seitenlänge in der Größenordnung von 30 bis 40 cm liegt, man würde jedoch den Rahmen der Erfindung nicht verlassen durch eine Veränderung der Form und der Maße der Taschen. schließlich ist eine solche Anordnung ebenso verwendbar, wenn die zu schützende Oberfläche eben ist (Fig. 13b), wie wenn sie gekrümmt ist (Fig. 13a).
Das erfindungsgemäße Schutzelement weist zahlreiche Vorteile auf, deren größter die Vereinfachung der Definitionsarbeiten, der Entwicklung , der Herstellung und der Kontrolle ist. Denn diese standardisierten Elemente können industriell nach herkömmlichen Methoden hergestellt werden, was die Kosten für Zeichnungen, Herstellung und Anbringung mindert, weil man mit Täfelchen von identischer Form und Dimension einen sehr großen Teil der Oberfläche des Geräts bedecken kann. Außerdem gibt es auf Grund der Biegsamkeit der Täfelchen keinen Anlaß, im Falle einer Formänderung am Gerät im Projektstadium den thermischen Schutz neu zu definieren. Im Falle von Kacheln oder steifen Elementen, muß man, wenn man Form oder Krümmung der Gerätestruktur ändert, die entsprechenden Kacheln oder steifen Elemente neu definieren, was die Termine verzögert und die Entwicklungskosten erhöht. Das gleich Problem tritt wieder auf im Falle einer Weiterentwicklung der inneren oder äußeren Einrichtungen des Fluggeräts im Projektstadium : Form und Anordnung der Türen, Klappen, Fenster, Träger oder Rahmen im Innern des Apparats. Im Falle von Kacheln oder steifen Elementen muß man wieder von vorn beginnen, während es bei der vorliegenden Erfindung genügt, die Anordnung der Füße oder Träger 52 (Fig. 7a und 7b) zu ändern oder u.U. die Täfelchen und die Isolierschicht anders zuzuschneiden. Zudem wird die Anzahl der Ersatzteile reduziert, denn die Täfelchen sind alle identisch oder fast, während man bei dem System mit Kacheln für jede Kachel ein oder zwei Ersatzkacheln braucht, denn die Kacheln sind fast alle unterschiedlich.
Ein weiterer sehr wichtiger Vorteil der Erfindung ist, daß der thermische Schutz leicht ist, wobei die flächenbezogene Masse eines solchen Schutzes für die 1000ºC-Zonen bei metallischen Täfelchen in der Größenordnung von 5 bis 6 kg/m² liegt. Dieser Schutz paßt sich gut den Deformationen des ganzen Fluggeräts an, ebenso wie örtlichen Deformationen der angrenzenden Struktur, was es möglich macht, letztere leichter zu gestalten (man kann eine örtliche Knickung tolerieren). Sie paßt sich an bei Mängeln der zu schützenden Oberläche, was besonders das Spachteln des Rumpfes überflüßig macht, eines Arbeitsgangs, der die Gesamtkosten der Strukturen und der Schutzmaßnahmen erhöht. Außerdem widerstehen die erfindungsgemäßen Schutzmaßnahmen gut den Vibrationen ärodynamischen Ursprungs oder umgebungsbedingt sowie den Kräften ärodynamischen Ursprungs, die variabel sind von einer Stelle des Fluggeräts zur anderen, und die auch variabel sind im Verlauf der Phase des Wiedereintritts in die Atmosophäre.
Außerdem widerstehen die erfindungsgemäßen thermischen Schutzmaßnahmen gut Stößen und Vibrationen ohne eine Veränderung ihrer Eigenschaften zu erleiden, vor allem im Falle von Regen, Hagel, Blitzschlag, und schützen den Apparat gegen diese Störungen.
Eine erfindungsgemäße thermische Schutzkonstruktion gewährleistet eine ebenmäßige äußere Oberfläche (folglich wenig ärodynamische Störungen) und eine Abdichtung gegen Wasser und Plasma.
Zudem ist ein solches System zuverlässiger als die herkömmlichen Einrichtungen. Denn der Umstand, daß alle Elemente identisch sind oder fast identisch sind führt zu einer Veinfachung und Standardisierung der Fabrikations- und Kontrollverfahren. Außerdem ist die Geamtlänge der Fugen kleiner als bei der Verwendung von Kacheln. Da die Fugen der äußeren Elemente nicht notwendigerweise mit den Fugen der Isolierschicht zusammenfallen, ist die Auflage besser geschützt. Außerdem verleiht das Fehlen jeglicher Verklebung eine große Sicherheit. Wenn man eine zusätzliche Sicherheitstafel verwendet, angebracht zwischen der Isolierschicht und dem Hitzeschild, bewahrt man den Rumpf vor der Zerstörung. Was das Kontrollverfahren und die Überholung des Geräts zwischen zwei Flügen betrifft, so sind diese viel einfacher und schneller und folglich billiger als im Fall der Verwendung von Kacheln. Das kommt durch die Standardisierung und die Tatsache, daß jedes Element sofort zugänglich und leicht kontrollierbar ist : jedes Teil ist sichtbar und keines ist unzugänglich. Die Demontage für eine Überprüfung und ein eventuelles Ersetzen von Hitzeschilden sind erleichtert, denn es ist nicht nötig, die benachbarten Schilde zu demontieren. Schließlich sind die erfindungsgemäßen Schutzelemente wiederverwendbar sowohl auf dem gleichen Gerät oder Objekt als auch auf einem anderen.
Es sei noch bemerkt, auch wenn die obige Beschreibung speziell die Anwendung bei Luft- oder Raumfahrtgeräten betrifft, daß die thermischen Schutzelement der Erfindung für jedes Objekt verwendet werden können, das großen Erwärmungen ausgesetzt ist, zum Beispiel für ein Objekt, das sich in einem Plasmagebläse oder auch Plasmawindkanal befindet.

Claims

1. Wiederverwendbares thermisches Schutzelement für einen starken Erwärmungen unterworfenen Gegenstand (30), zum Beispiel ein Luft- oder Raumfahrtkörper, mit einem feuerfesten Schirm (14) und einer isolierenden Schicht (34) zwischen dem feuerfesten Schirm (14) und dem Gegenstand, das im wesentlichen Befestigungsvorrichtungen für den feuerfesten Schirm (14) an dem Gegenstand (30) umfaßt, mit:

- einer länglichen Rampe (36);

- Vorrichtungen zum Befestigen dieser Rampe (36) an dem Gegenstand (30); und

- Vorrichtungen zum Halten des feuerfesten Schirms (14) auf der Rampe (36),

wobei das Element dadurch gekennzeichnet ist, daß

- der feuerfeste Schirm eine allgemein rechtwinklige Form besitzt, wobei er wenigstens ein dünnes Blatt (16d) aus einem feuerfesten Material umfaßt, das eine ausreichende Elastizität besitzt, um sich im Bereich der zu schützenden Zone an die Form des Gegenstands (30) anzupassen, das heißt parallel oder quasi-parallel an die Oberfläche des zu schützenden Gegenstands (30) in der Zone, oberhalb derer es sich befindet;

- die Befestigungsvorrichtungen für den feuerfesten Schirm (14) auf zwei benachbarte und an derselben stelle sich überlappende, feuerfeste Schirme wirken und wechselwir ken;

- die Vorrichtungen zum Halten des feuerfesten Schirms (14) auf der Rampe (36) aus einem Profilträger (37) bestehen, der mit Schrauben (42) verschraubt ist, die sich in die Befestigungsvorrichtungen für die Rampe (36) an dem Gegenstand (30) schrauben, um die Ränder der beiden benachbarten, feuerfesten Schirme (14) auf die Rampe (36) zu schrauben;

- die Befestigungsvorrichtung für die Rampe (36) an dem Gegenstand aus einem Profilträger (44) oder aus Füßen oder aus Trägern (52) bestehen, die an dem Gegenstand (30) befestigt sind und auf die die Rampe (36) montiert ist;

- die Oberfläche der Rampe (36), auf die der Rand von wenigstens einem feuerfesten Schirm angeordnet ist, gekrümmt ist, um zwei feuerfeste Schirme (14) halten zu können, deren dünne Blätter (16e, 16d&sub1;) nicht koplanar sind, und um zu ermöglichen, die Form des feuerfesten Schirms (14) zu erhalten;

wobei die Struktur dieser Befestigungsvorrichtungen für den feuerfesten Schirm (14) ihnen so ermöglicht:

- am Halten und an der Bildung der Form des feuerfesten Schirms (14) mitzuwirken;

- am mechanischen Widerstand des feuerfesten Schirms (14) mitzuwirken;

- die unmittelbar anstoßende Montage von zwei feuerfesten Schirmen (14), deren dünne Blätter (16e, 16d&sub1;) nicht koplanar sind, zu ermöglichen;

- eine Dichtigkeit gegenüber der Luft, dem Wasser und dem Plasma sicherzustellen; und

- wobei jedes Element auf diese Weise mit benachbarten, identischen Elementen ein Band großer Länge bilden kann, dessen Form in jedem Punkt die Form der externen Oberfläche des Objekts (30) annimmt, wobei dieses Band dazu beiträgt, eine aerodynamisch glatte Oberfläche zu bilden, deren Form stetig ist.

2. Wiederverwendbares thermisches schutzelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das feuerfeste Metall aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Niob, Titan, Tantal ebenso wie aus deren Legierungen und den Legierungen auf Nickel- oder Chrombasis besteht.

3. wiederverwendbares thermisches schutzelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das feuerfeste dünne Blatt (16) aus einem Verbundmaterial auf Faserbasis besteht.

4. Wiederverwendbares thermisches schutzelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das dünne Blatt (16) mit Kühlvorrichtungen ausgestattet ist.

5. Wiederverwendbares thermisches schutzelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnete daß die Kühlvorrichtungen ein auf der Seite des dünnen Blattes (16), die sich gegenüber der isolierenden Schicht (34) befindet, bef estigtes Blatt (17) umfassen.

6. wiederverwendbares thermisches schutzelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß es ein zusätzliches Blatt umfaßt, das zum Verbessern des mechanischen Widerstands des feuerfesten Schirms (14) dient.

7. Wiederverwendbares thermisches schutzelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß es Vorrichtungen zum Absorbieren der Ausdehnung des feuerfesten Schirms (14) in wenigstens einer Richtung umfaßt.

8. wiederverwendbares thermisches schutzelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn der feuerfeste Schirm (14) wenigstens zwei dünne Blätter (16a, 16b) umfaßt, die aufeinander folgend angeordnet sind, das eine (16a) dieser Blätter ein Verschiebungsende (18) umfaßt, das sich frei unter den entsprechenden Rand (20) des anderen dünnen Blattes (16b) anordnen kann und so ermöglicht, die Ausdehnung der beiden dünnen Blätter (16a, 16b) in der longitudinalen Richtung zu absorbieren.

9. Wiederverwendbares thermisches schutzelement nach einem der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß das dünne Blatt (16) longitudinale Wellen (68) umfaßt, die ermöglichen, die Ausdehnung in der lateralen Richtung zu absorbieren.

10. Wiederverwendbares thermisches schutzelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der auf der Rampe (36) befestigte Profilträger (37) wenigstens einen zurückgebogenen Rand (38) besitzt, der so angeordnet ist, daß der Rand (25) des feuerfesten Schirms sich zwischen dem Rand des profilträgers und der Rampe (36) anordnen kann, wobei der zurückgebogene Rand (38) eine Elastizität besitzt, die ausreicht, den Rand (25) des feuerfesten Schirms (14) auf die Rampe zu bringen, wobei die Ausdehnung dieses feuerfesten Schirms ermöglicht wird.

11. wiederverwendbares thermisches schutzelement nach einem der Ansprüche 1 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungsvorrichtungen (32) für den feuerfesten Schirm (14) auf dem Gegenstand (30) ebenso zum Befestigen der isolierenden Schicht (34) auf diesem Gegenstand dienen.