Nghiên cứu tính toán xác định chiều dày lớp bảo vệ nhiệt cho kết cấu chịu nhiệt độ cao của khí cụ bay

Lớp bảo vệ nhiệt là thành phần quan trọng trong kết cấu chịu nhiệt độ cao của khí cụ bay (KCB), trong đó chiều dày lớp bảo vệ nhiệt phải vừa đảm bảo bảo vệ được kết cấu KCB dưới tác động của dòng sản phẩm cháy, đồng thời đảm bảo không làm tăng khối lượng của KCB. Bài viết đưa ra một phương pháp xác định được chiều dày cần thiết lớp bảo vệ nhiệt trong thiết kế, chế tạo KCB áp dụng trong nghiên cứu thiết kế, chế tạo sản phẩm.

SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN XÁC ĐỊNH CHIỀU DÀY LỚP BẢO VỆ NHIỆT CHO KẾT CẤU CHỊU NHIỆT ĐỘ CAO CỦA KHÍ CỤ BAY RESEARCHING CALCULATE FOR DETERMINATION THICKNESS OF THE HEAT INSULATING LAYER FOR HIGH TEMPERATURE RESISTANCE STRUCTURE OF FLIGHT INSTRUMENTS Trần Xuân Tiến1,* TÓM TẮT Lớp bảo vệ nhiệt thành phần quan trọng kết cấu chịu nhiệt độ cao khí cụ bay (KCB), chiều dày lớp bảo vệ nhiệt phải vừa đảm bảo bảo vệ kết cấu KCB tác động dòng sản phẩm cháy, đồng thời đảm bảo không làm tăng khối lượng KCB Bài báo đưa phương pháp xác định chiều dày cần thiết lớp bảo vệ nhiệt thiết kế, chế tạo KCB áp dụng nghiên cứu thiết kế, chế tạo sản phẩm tốt điều kiện nhiệt độ cao, đảm bảo tính kết cấu, độ bền tiêu kỹ thuật đề Để đảm bảo yêu cầu thiết kế với kết cấu khí cụ bay, việc tính tốn chiều dày lớp bảo vệ nhiệt yêu cầu quan trọng nhằm đảm bảo khối lượng KCB trình thiết kế, chế tạo bảo vệ kết cấu không phá hủy tác động nhiệt độ cao Từ khóa: Lớp bảo vệ nhiệt, kết cấu chịu nhiệt độ cao, động nhiên liệu rắn, chiều dày lớp bảo vệ nhiệt, kết cấu thân vỏ; Bài báo trình bay xây dựng mơ hình tính tốn chiều dày lớp bảo vệ nhiệt cho kết cấu điển hình KCB động tên lửa nhiên liệu rắn ABSTRACT The heat insulating layer is an important component in the high-temperature resistant structure of the flying instrument, in which thickness of the heat insulating layer has a moderate thickness that used to prevent the high-temperature gas from attacking the case, but does not increase mass of the flying instrument The paper is given a method of determining the required thickness of the heat insulating layer in the design and fabrication of the flying instrument Động tên lửa nhiên liệu rắn (NLR) có kết cấu đơn giản, độ tin cậy cao, thời gian chuẩn bị chiến đấu ngắn, dễ bảo quản nên ngày sử dụng rộng rãi chế tạo tên lửa, thiết bị bay giới Về động NLR thường có cấu tạo gồm phần sau (hình 1)[1, 2]: Keywords: The heat insulating layer; the high-temperature resistant structure; solid rocket motors;body structure Viện Khoa học Công nghệ Quân Email: titanium18202@gmail.com Ngày nhận bài: 12/10/2021 Ngày nhận sửa sau phản biện: 17/12/2021 Ngày chấp nhận đăng: 27/12/2021 * GIỚI THIỆU Các chi tiết chịu tải nhiệt KCB thân vỏ tên lửa đẩy, khoang lái tàu vũ trụ, khoang chứa thiết bị vệ tinh, động tên lửa nhiên liệu rắn… chịu tác dụng nhiệt lớn trình hoạt động Nguồn nhiệt sinh q trình ma sát với khơng khí trường hợp khoang lái tàu vũ trụ ma sát với tầng khí trái đất, sinh dịng sản phẩm cháy nhiên liệu động tên lửa; điểm đặc biệt dòng nhiệt có nhiệt độ cao thường ngưỡng nhiệt độ nóng chảy kim loại hợp kim kết cấu phổ biến Do q trình thiết kế, chế tạo kết cấu này, cần bổ sung lớp bảo vệ nhiệt để bảo đảm cho kết cấu hoạt động Website: https://jst-haui.vn Hình Kết cấu đặc trưng động tên lửa nhiên liệu rắn (NLR) [1, 2] 1- cụm mồi, 2- thân vỏ, 3- thuốc phóng, 4- cụm loa phụt, 5- lớp hạn chế bề mặt cháy, 6- lớp bảo vệ nhiệt Khi động làm việc, phần nhiệt lượng từ sản phẩm cháy thuốc phóng bị đốt cháy truyền đến phần thân vỏ động thuốc phóng Cường độ trao đổi nhiệt xác định tính chất nhiệt phần tử kết cấu động cơ: thành vỏ, khối loa phụt, phần khí động điều khiển… Sự truyền nhiệt từ dòng sản phẩm cháy đến kết cấu động thuốc phóng chủ yếu hai chế trao đổi nhiệt đối lưu xạ Vì trình diễn cách độc lập không phụ thuộc vào tổng dịng nhiệt bề mặt tính sau: Vol 57 - No (Dec 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 71 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ q  qđl  qbx P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 (1) đó, qđl - dịng nhiệt đối lưu; qbx - dòng nhiệt xạ Từ quan hệ ta có hệ số trao đổi nhiệt tính sau: α  αđl  αbx (2) đó, αđl - hệ số trao đổi nhiệt đối lưu; αbx - hệ số trao đổi nhiệt xạ Do nhiệt độ cao cháy nhiên liệu, kết cấu động chịu tải trọng nhiệt lớn, điều kiện chí với thép chịu nhiệt độ bền nó, để kết cấu động làm việc tin cậy, ổn định cần phải làm mát phải bảo vệ kết cấu Đối với động tên lửa NLR có thời gian cháy dài (trên 5s) cần phải sử dụng vật liệu bảo vệ nhiệt để bảo vệ kết cấu động cơ, lớp giữ ưu điểm động tên lửa NLR như: đơn giản, độ tin cậy kết cấu thuận tiện trình sử dụng Độ dày lớp bảo vệ nhiệt phải vừa đảm bảo độ bền kết cấu động cơ, đồng thời đảm bảo khối lượng nhỏ Chính việc tính tốn xác định độ dày lớp bảo vệ nhiệt thân vỏ động có vai trị, ý nghĩa quan trọng trình thiết kế, chế tạo động tên lửa NLR có thời gian cháy dài MƠ HÌNH TỐN XÁC ĐỊNH CHIỀU DÀY LỚP BẢO VỆ NHIỆT Thân vỏ chịu lực động thông thường bảo vệ tránh tác động trực tiếp dòng sản phẩm cháy nhiệt độ cao cách phủ lên vật liệu bảo vệ nhiệt chịu mài mòn Phần lớn phần tử kết cấu thực tế làm việc điều kiện nung nóng khơng ổn định, phương diện dịng nhiệt sử dụng hai sơ đồ tính tốn hình Mơ hình thứ (hình 2) có khả áp dụng thiết kế động NLR biết đặc tính động cơ, vật liệu thông số nhiệt lý vật liệu chế tạo vỏ, vật liệu đặc tính nhiệt lý vật liệu chế tạo lớp bảo vệ nhiệt Nghiên cứu tính tốn chiều dày lớp bảo vệ nhiệt phục vụ trình thiết kế, chế tạo động với yêu cầu cho trước, nên sử dụng theo mơ hình thứ (hình 2) Đặc trưng phân bố nhiệt lên thành động có lớp phủ bảo vệ nhiệt thụ động mơ tả hình 2, từ dễ dàng nhận thấy lớp phủ bảo vệ nhiệt xảy giảm nhiệt độ rõ rệt Ở biên x = δ nhiệt độ thành thân động lớp phủ bảo vệ nhiệt nhau, ta có: Ttv  δ tv , τ   Tbvn δ tv , τ  Đồng thời có điều kiện cân dòng nhiệt: Ttv  δ Tbvn x , τ  tv , τ  Tbvn δ  (3) x x đó, λtv, δtv hệ số dẫn nhiệt độ dày thân vỏ động cơ; λbvn, δbvn hệ số dẫn nhiệt độ dày lớp bảo vệ nhiệt; Để xác định profil đường cong nhiệt thành hai lớp, đặc trưng cho kết cấu động cho, ta sử dụng hệ phương trình dẫn nhiệt, mà trường hợp tổng qt cần phải giải có tính đến thay đổi tính chất nhiệt lý vật liệu bảo vệ nhiệt thành động theo thời gian Với phương pháp tốn phức tạp để phục vụ cho việc tính tốn q trình thiết kế ta đơn giản hóa cách sử dụng giả thiết sau: - thông số nhiệt lý lớp bảo vệ nhiệt vật liệu thành động không thay đổi theo nhiệt độ; - nhiệt độ thành động không thay đổi theo chiều dày, nghĩa T ( ) = const Với giả thiết hệ phương trình xác định trường nhiệt độ lớp bảo vệ nhiệt viết dạng sau: λ tv  λbvn  abvn bvn , τ  Tbvn x, τ  (4) x δtv  x  δtv  δbvn ; αbvn - hệ số khuếch tán nhiệt độ lớp bảo vệ nhiệt Tbvn x ,τ  λbvn  αk  Tk  Tbm  τ   (5) x x x  δtv  δbvn , αk - hệ số trao đổi nhiệt mặt lớp bảo vệ nhiệt λ ( , ) = (c ρ δ) ( ) (6) x  δ tv Hình Sơ đồ tính tốn cho hai lớp [2, 4] Hình Sơ đồ tính tốn cho hai lớp có phân rã lớp bảo vệ nhiệt [3, 4, 5] Mơ hình thứ hai (hình 3) thường sử dụng trình chế tạo vật liệu bảo vệ nhiệt, cần có thêm nghiên cứu thực nghiệm liên quan đến trình phần rã nhiệt vật liệu, thường sử dụng thiết kế tối ưu; tính tốn chiều dày cho vỏ động quấn vật liệu composite; dùng thiết kế cho phận cần bảo vệ đặc biệt vỏ khoang tàu thoi… Tbvn x ,0   T0 (7) τ = Mục tiêu toán xác giá trị nhiệt độ mặt tiếp giáp với thân vỏ động cơ, nhiệt độ trung bình thành động Để giải toán ta giải theo giá trị nhiệt độ không thứ nguyên mặt tiếp xúc dạng hàm hai tham số sau: 72 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ● Tập 57 - Số (12/2021) θ = f(F , μ) (8) Website: https://jst-haui.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 đó: θk  Tk  Tbvn - nhiệt độ không thứ nguyên nhiệt độ Tk; Tk  T0 Thời Mật độ Nhiệt Hệ số gian Nhiệt vật dung trao đổi làm Mật độ dung liệu riêng nhiệt, việc ρtv, riêng bvn bvn αk, kg/m3 Ctv, ρ , C , J/kg.K bvn bvn B.m2/K động kg/m J/kg.K τ, s F0  abvn τ / δbvn - tiêu chuẩn Furie; μ 1   - tiêu chuẩn thành phần; Bi M BiM Bi  α.δbvn / λbvn - tiêu chuẩn Bio; M   c.ρ.δ bvn /  c.ρ.δ tv Giá trị nhiệt độ khơng thứ ngun từ hệ phương trình dẫn nhiệt (4)-(7) viết dạng sau: θk  Tk  Tbvn  Tk  T0  2μn e   1 μ n1 F0 sec 2 2 n  μ n   , (9) đó,  - nghiệm nguyên dương phương trình .tg = 1/n Giá trị μ từ đến 50 ta xây dựng phụ thuộc theo quan hệ θ = f(F ), từ với giá trị F μ xác định phụ thuộc nhiệt độ lớp bảo vệ nhiệt theo chiều dày thời gian Từ giản đồ phụ thuộc ta có quan hệ: θ  A.F0  lg    C  μ   θ  (10) đó: A, C số xác định từ điều kiện biên (A = 0,20; C = 0,3) Thay giá trị F μ biến đổi ta có phương trình sau:  λ α λbvn  A.α.abvn τ δbvn   bvn    δbvn  C.M C  lgθ  lgθ0  C.M   0  (11) Từ điều kiện biên điều kiện nhiệt độ tới hạn bề mặt thành động biến đổi ta có cơng thức tính chiều dày lớp bảo vệ nhiệt sau: (c ρ δ) λ δ =− + (c ρ) 2.0,4 α , + − , ( ) +( ( ) ( ) đó, θk  ) + lg (12) lg Tk  Tth , lgθ0  0,0212 Tk  T0 KẾT QUẢ VÀ BÌNH LUẬN Sử dụng công thức (12) với thông số đầu vào để tính tốn lấy từ kết đo đạc thực tế động NLR sử dụng qn đội Kết tính tốn dung để so sánh với chiều dày lớp bảo vệ nhiệt đáy động NLR có sử dụng cho kết bảng Kết tính bảng thấy giá trị tính tốn theo cơng thức (12) cho kết sát với chiều dày Website: https://jst-haui.vn mẫu bảo vệ nhiệt động nhiên liệu rắn sử dụng Bảng Thông số đầu vào để tính tốn chiều dày lớp bảo vệ nhiệt 723.201 24* 7850 546 Nhiệt Hệ số độ Nhiệt dẫn Nhiệt dòng độ nhiệt độ tới sản ban bvn hạn T, phẩm đầu K λbvn, cháy T, To, K W/m.K K 1800 1256 0,256 2000 680* 293 * ( kết đo thực tế động nhiên liệu rắn) Bảng Kết tính tốn chiều dày lớp bảo vệ nhiệt đáy động Chiều dày tính theo cơng thức (12), m 0,002004 Chiều dày mẫu bảo vệ nhiệt có, m 0,002 KẾT LUẬN Có thể thấy phương pháp tính chiều dày lớp bảo vệ nhiệt có độ tin cậy, có khả áp dụng trình thiết kế, chế tạo động nhiên liệu rắn phục vụ quân sự, quốc phịng, áp dụng q trình thiết kế KCB có tốc độ bay lớn động đẩy tên lửa, khoang chứa thiết bị vệ tinh, khoang người lái tàu vũ trụ Với kết đạt được, trình thiết kế ban đầu, kết hợp với q trình thử nghiệm giúp ích nhiều việc xác định chiều dày tối ưu lớp bảo vệ nhiệt Kết tính tốn gần với kết thiết kế có mở khả áp dụng cơng thức tính tốn chiều dày phục vụ trình nghiên cứu, thiết kế chế tạo kết cấu chịu nhiệt độ cao tương lai, làm tảng cho việc bước làm chủ công nghệ thiết kế, chế tạo động nhiên liệu rắn có thời gian cháy dài đáp ứng yêu cầu đề sản phẩm quốc phòng dân dụng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bulanov I.M., Vorobey V.V., 1998 Technology of rocket and aerospace structures made of composite materials Moscow: MGTU, 516 p [2] V A Kalinchev, D A Yagodnikov, 2011 Technology for the production of solid fuel rocket engines M : MGTU, 687p [3] V.V Vorobey, V B Markin, 2003 Fundamentals of technology and design of rocket engine casings Novosibirsk: Nauka,164p [4] VP Belov, 2010 Thermal protection of structural elements of solid propellant rocket engines Textbook SPb, 51p [5] A R Bahramian, Mehrdad Kokabi, Navid Famili, Mohammad Hosain Beheshty, 2006 Ablation and thermal degradation behavior of a composite based on resol type phenolic resin: Process modeling and experimental Polymer, volume 47, Issue 10, Pages.3661-3673 AUTHOR INFORMATION Tran Xuan Tien Academy of Military Science and Technology Vol 57 - No (Dec 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 73 ... liệu bảo vệ nhiệt để bảo vệ kết cấu động cơ, lớp giữ ưu điểm động tên lửa NLR như: đơn giản, độ tin cậy kết cấu thuận tiện trình sử dụng Độ dày lớp bảo vệ nhiệt phải vừa đảm bảo độ bền kết cấu động... 293 * ( kết đo thực tế động nhiên liệu rắn) Bảng Kết tính toán chiều dày lớp bảo vệ nhiệt đáy động Chiều dày tính theo cơng thức (12), m 0,002004 Chiều dày mẫu bảo vệ nhiệt có, m 0,002 KẾT LUẬN... bố nhiệt lên thành động có lớp phủ bảo vệ nhiệt thụ động mơ tả hình 2, từ dễ dàng nhận thấy lớp phủ bảo vệ nhiệt xảy giảm nhiệt độ rõ rệt Ở biên x = δ nhiệt độ thành thân động lớp phủ bảo vệ nhiệt