Luận án tiến sĩ kỹ thuật nghiên cứu ảnh hưởng của một số tham số buồng đốt đến các tham số làm việc đặc trưng của động cơ tên lửa nhiên liệu rắn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ QN SỰ HỒNG THẾ DŨNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA MỘT SỐ THAM SỐ BUỒNG ĐỐT ĐẾN CÁC THAM SỐ LÀM VIỆC ĐẶC TRƢNG CỦA ĐỘNG CƠ TÊN LỬA NHIÊN LIỆU RẮN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ QN SỰ HỒNG THẾ DŨNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA MỘT SỐ THAM SỐ BUỒNG ĐỐT ĐẾN CÁC THAM SỐ LÀM VIỆC ĐẶC TRƢNG CỦA ĐỘNG CƠ TÊN LỬA NHIÊN LIỆU RẮN Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật Mã số: 52 01 01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC TS Lê Song Tùng PGS.TS Trịnh Hồng Anh Hà Nội - 2018 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết luận án trung thực chưa cơng bố cơng trình khác TÁC GIẢ LUẬN ÁN Hoàng Thế Dũng ii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC BẢNG ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ x MỞ ĐẦU Chƣơng TỔNG QUAN VỀ CÁC THAM SỐ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ TÊN LỬA NHIÊN LIỆU RẮN 1.1 Khái quát động tên lửa nhiên liệu rắn 1.1.1 Đặc điểm cấu tạo động tên lửa nhiên liệu rắn 1.1.2 Đặc điểm hoạt động động tên lửa nhiên liệu rắn 12 1.2 Phương pháp lý thuyết xác định tham số làm việc động tên lửa nhiên liệu rắn 15 1.2.1 Trường hợp xem dịng sản phẩm cháy khơng dừng, hay nhiều chiều 16 1.2.2 Phương pháp trung bình theo thể tích 21 1.3 Phương pháp thực nghiệm xác định tham số làm việc động tên lửa nhiên liệu rắn 23 1.4 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 23 1.4.1 Ngoài nước 23 1.4.2 Trong nước 25 1.4.3 Những tồn hướng nghiên cứu luận án 28 1.5 Kết luận chương 29 Chƣơng XÂY DỰNG MÔ HÌNH TỐN XÁC ĐỊNH CÁC THAM SỐ LÀM VIỆC ĐẶC TRƢNG CỦA ĐỘNG CƠ TÊN LỬA NHIÊN LIỆU RẮN HỖN HỢP 31 2.1 Các giả thiết 31 2.2 Hệ phương trình tổng quát xác định tham số làm việc đặc trưng động tên lửa nhiên liệu rắn hỗn hợp 32 iii 2.3 Giải mơ hình tốn 40 2.3.1 Xây dựng điều kiện đầu vào 40 2.3.2 Ảnh hưởng tính chất hai pha sản phẩm cháy nhiên liệu hỗn hợp 41 2.3.3 Ảnh hưởng số chi tiết kết cấu đến áp suất làm việc động 47 2.3.4 Sự thay đổi thơng số dịng sản phẩm cháy kích thước liều nhiên liệu 50 2.3.5 Tốc độ sinh khí sản phẩm cháy liều nhiên liệu 54 2.3.6 Xây dựng sơ đồ thuật toán 57 2.4 Kiểm tra độ tin cậy mơ hình lý thuyết áp dụng tính tốn số động tên lửa điển hình 58 2.4.1 Tính tốn xác định tham số làm việc động tên lửa sử dụng nhiên liệu rắn hỗn hợp 58 2.4.2 Tính tốn xác định tham số làm việc động tên lửa sử dụng thuốc phóng balistic 62 2.5 Kết luận chương 65 Chƣơng KHẢO SÁT ẢNH HƢỞNG CỦA MỘT SỐ THAM SỐ BUỒNG ĐỐT ĐẾN CÁC THAM SỐ LÀM VIỆC ĐẶC TRƢNG CỦA ĐỘNG CƠ 67 3.1 Đặt vấn đề 67 3.2 Xây dựng điều kiện đầu vào 67 3.2.1 Xác định điều kiện ban đầu 69 3.2.2 Kết tính tốn nhiệt động học 70 3.3 Ảnh hưởng tính chất hai pha sản phẩm cháy nhiên liệu hỗn hợp 71 iv 3.3.1 Ảnh hưởng tính chất hai pha sản phẩm cháy đến lực thuốc phóng xung lượng riêng 71 3.3.2 Ảnh hưởng tính chất hai pha sản phẩm cháy đến đường kính tiết diện tới hạn loa thiết kế động 76 3.4 Ảnh hưởng đường kính buồng đốt 77 3.4.1 Ảnh hưởng đường kính buồng đốt đến biến đổi hình dạng liều nhiên liệu vận tốc dòng chảy theo thời gian dọc trục động 77 3.4.2 Ảnh hưởng đường kính buồng đốt đến biến đổi áp suất, nhiệt độ buồng đốt tốc độ sinh khí sản phẩm cháy 80 3.5 Ảnh hưởng diện tích khí đĩa chắn thuốc ống lót không gian trước loa động 85 3.5.1 Ảnh hưởng diện tích khí đĩa chắn thuốc đến thay đổi vận tốc áp suất dòng sản phẩm cháy hai pha qua đĩa chắn thuốc 85 3.5.2 Ảnh hưởng chiều dài ống lót đến thay đổi áp suất dòng sản phẩm cháy hai pha trước loa 86 3.6 Kết luận chương 88 Chƣơng NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC THAM SỐ LÀM VIỆC ĐẶC TRƢNG CỦA ĐỘNG CƠ TÊN LỬA NHIÊN LIỆU RẮN HỖN HỢP 90 4.1 Mục đích nghiên cứu thực nghiệm 90 4.2 Phân tích xác định thành phần hóa học đặc trưng lượng thuốc phóng 90 4.3 Thiết kế chế tạo động mẫu 93 4.4 Thử nghiệm đo tham số làm việc đặc trưng động 96 4.4.1 Đối tượng đo 96 4.4.2 Kỹ thuật thực nghiệm 97 4.4.3 Kết đo 101 v 4.5 Xử lý nhận xét kết thử nghiệm 105 4.5.1 Phương pháp xử lý số liệu kết đo chương trình tính tốn máy tính điện tử 106 4.5.2 Kết xử lý 107 4.5.3 Đánh giá sai số phép đo 110 4.6 Kết luận chương 112 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 113 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC Đà CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 115 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO .117 PHẦN PHỤ LỤC 122 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ak - Hằng số đoạn nhiệt; a - Vận tốc âm thanh, m/s; aT - Hệ số phân bố không cân áp suất dọc theo bề mặt hạt; bT - Hệ số cháy hạt rắn mơi trường khí; c - Nhiệt dung riêng, J/kg.K; Cχh - hệ số cản hiệu dụng chuyển động hạt rắn rãnh; D, d - Đường kính, m; E - Năng lượng riêng, J/kg; F - Diện tích tiết diện ngang, m2; f0 - lực thuốc phóng, kJ/kg; fm - Lực thuốc phóng thuốc mồi, kJ/kg; h - chu vi tiết diện ngang rãnh xét, m; I - Entalpi, J/kg; J1 - Xung lượng riêng thuốc phóng, m/s; j - Hệ số xuất lực khối; Kw - Hệ số không cân động lực học; KT - Hệ số không cân nhiệt độ; k - Chỉ số đoạn nhiệt sản phẩm cháy; L, l, x - Khoảng cách, chiều dài, m; m - Tốc độ sinh khí sản phẩm cháy, kg/s; p - Áp suất, Pa; Q - Nhiệt lượng, J; r - Bán kính, m; R - Hằng số khí, J/kg.K; Re - Số Reynolds; S - Diện tích bề mặt cháy liều nhiên liệu, m2; T - Nhiệt độ, K; vii t - Thời gian, s; U - Nội riêng, J/kg; u - Tốc độ cháy thuốc phóng, m/s; u1 - Tốc độ cháy đơn vị thuốc phóng, m/s; v - Hình chiếu véc tơ vận tốc lên trục hướng kính, m/s; W - Thể tích, m3; w - Hình chiếu véc tơ vận tốc lên trục động cơ, m/s; X - Lực khí động, N; z(λ), f(λ), r(λ), η(λ) - Các hàm khí động; α - Hệ số trao đổi nhiệt; β - Hệ số lưu lượng, m/s; βT - Gradien nhiệt độ tốc độ cháy; ∆ - mật độ nhồi động cơ; ε - Hệ số cháy xói mịn; λ - Vận tốc không thứ nguyên; λc - Hệ số ma sát; λb - Hệ số dẫn nhiệt bạc, W/(m.K); λhh - Hệ số dẫn nhiệt hỗn hợp, W/(m.K); μ - Độ nhớt động lực học, kg/(m.s); ξ - Tỷ lệ khối lượng pha ngưng tụ SPC, %; ρ - Mật độ; mật độ sản phẩm cháy, kg/m3; ηTP, η’TP - Các lực riêng tác dụng lên khí hạt từ thuốc phóng, N; υ - Số mũ hàm tốc độ cháy; θ2 - Hệ số tổn thất qua loa động cơ; χ - Hệ số tổn thất nhiệt; χT - Hệ số đặc trưng tính chất hai pha SPC; Ψ - Lượng thuốc phóng cháy tương đối; ω - Khối lượng; Khối lượng SPC lưu lại buồng đốt, kg; viii a - Tiết diện cửa loa phụt; BD - Buồng đốt; bd - Thời điểm ban đầu; CT - Đĩa chắn thuốc; - Đối lưu; dl ĐTR - Động tên lửa nhiên liệu rắn; ĐTRHH - Động tên lửa nhiên liệu rắn hỗn hợp; hh - Hỗn hợp; kh - Pha khí; LP - Loa phụt; mt - Mơi trường; SPC - Sản phẩm cháy thuốc phóng; T - Pha ngưng tụ, pha rắn; TB - Trung bình; td - Khơng gian tự đĩa chắn thuốc nắp sau, rãnh khí tự do; th - Tới hạn; TP - Thuốc phóng; XLR - Xung lượng riêng P.16 Phụ lục KẾT QUẢ TÍNH TỐN CÁC THAM SỐ NHIỆT ĐỘNG CỦA NHIÊN LIỆU HỖN HỢP SD-17/18M BNG PHN MM ASTRA ờòôủĂẹ ủỏĂĂẹ DATE=16/6/2016, VAR=S350-78DT, I=0,p=1,1.5,2,2.5,3,3.5,4,4.5,5,5.5,6,6.5,7,7.5,8,8.5,9,9.5,10,10.5,11, 11.5,12,12.5,13,13.5,14,14.5,15,15.5,16,16.5,17,17.5,18,18.5,19,19.5,20, foth=1,1.5279, (66.8%N1H4CL1O4[-2519.2]),(16.8%AL[0]), (9.3%C70.2365H102.1198N2.3680O1.2685[87.9]), (6.1%C14H18FE1[174.7]),(1%C26H50O4[-3227.1]); ỹô-ôẳẵỏ ỏớ.ẹẵỏ: N 5.90587 H 37.9461 CL 5.68564 O 22.9543 AL 6.22648 C 10.6682 FE 251917 ũỏỏơẹòơ ỏúĂôúẹò - ổờ P=6.5 T=3297.8 V=0.153323 S=9.48972 I=-1696.27 U=-2692.83 M=39.2094 Cp=1.89755 k=1.18942 Cp"=3.31441 k"=1.15554 A=1066.51 Mu=0.0000917 Lt=0.409538 Lt"=0.897525 MM=25.5041 Cp.ú=2.0213 k.ú=1.26775 MM.ú=19.477 R.ú=426.897 Z=0.292122 Ž=0 Bm=0.0425504 ổôủẹêỏĂẹ ơôẳằôĂẹĂôú - ẳoẵ/ơỳ O 0.0042896 O2 0.0004001 H 0.978464 H2 12.9418 OH 0.0958387 HO2 0.4499e-5 H2O 3.12903 H2O2 0.2221e-5 Cl 0.231024 Cl2 0.0004128 ClO 0.0000507 HCl 4.5935 HOCl 0.000081 N 0.0001026 N2 2.94889 NO 0.0056037 NH 0.000297 NH2 0.0002748 NH3 0.0008154 HNO 0.0000132 CO 10.3529 CO2 0.313066 CH2 0.1166e-5 CH3 0.8619e-5 CH4 0.8134e-5 CHO 0.0010467 CHO2 0.000045 CH2O 0.0001004 CH2O2 0.0000198 ClCO 0.000056 HClCO 0.5443e-5 CN 0.8625e-5 HCN 0.0009564 HNC 0.3970e-5 N2C 0.2013e-5 ClCN 0.2456e-5 Al 0.0040922 AlO2 0.0000112 Al2O 0.003028 Al2O2 0.0000891 k*Al2O3 2.86503 AlH 0.0014643 AlH2 0.0000358 AlOH 0.0446857 HAlO 0.9054e-5 HAlO2 0.000236 AlO2H2 0.0049126 AlO3H3 0.0000477 AlCl 0.240002 AlCl2 0.106695 AlCl3 0.0098334 AlOCl 0.0104334 AlOCl2 0.000355 AlHCl 0.0038377 AlH2Cl 0.000012 AlHCl2 0.000778 AlOHCl 0.0465764 AlO2H2Cl 0.0013322 AlOHCl2 0.011066 AlN 0.4228e-5 Fe 0.0458643 FeO 0.0005807 FeOH 0.0075356 FeO2H2 0.0009478 FeCl 0.10348 FeCl2 0.0934409 FeCl3 0.0000554 -1*Cl 0.000089 +1*Al 0.0000809 -1*AlO 0.1446e-5 +1*Fe 0.0000111 AlO 0.0036886 υ½.úẠ0.1437e-5 ũỏỏơẹòơ ỏúĂôúẹò - ổờ (ơp.ceeĂe) P=3.73797 T=3096.51 V=0.248717 S=9.48972 I=-2228.96 U=-3158.66 M=39.0741 Cp=1.89132 k=1.1887 Cp"=3.02526 P.17 k"=1.15659 MM=25.5924 Z=0.302247 W/A=1 A=1032.18 Mu=0.0000882 Lt=0.391623 Lt"=0.808868 Cp.ú=2.01851 k.ú=1.27093 MM.ú=19.3231 R.ú=430.295 Ž=0 Bm=0.0398224 n=1.14365 W=1032.18 F/F*=1 F"=0.000241 Iủằ=197.116 B=159.741 ổôủẹêỏĂẹ ơôẳằôĂẹĂôú - ẳoẵ/ơỳ O 0.0020549 O2 0.0001797 H 0.751774 H2 13.1736 OH 0.0595784 HO2 0.1527e-5 H2O 2.94941 Cl 0.184945 Cl2 0.0002816 ClO 0.000022 HCl 4.81624 HOCl 0.0000419 N 0.0000429 N2 2.95068 NO 0.0030297 NH 0.0001338 NH2 0.000136 NH3 0.0005465 HNO 0.5219e-5 CO 10.3626 CO2 0.304272 CH3 0.4143e-5 CH4 0.4866e-5 CHO 0.0005603 CHO2 0.000022 CH2O 0.0000587 CH2O2 0.0000107 ClCO 0.0000279 HClCO 0.2929e-5 CN 0.3428e-5 HCN 0.0005997 HNC 0.1672e-5 ClCN 0.1238e-5 Al 0.0016032 AlO2 0.3030e-5 Al2O 0.0009165 Al2O2 0.0000254 k*Al2O3 2.96433 AlH 0.0005343 AlH2 0.0000101 AlOH 0.0208335 HAlO 0.2547e-5 HAlO2 0.0000933 AlO2H2 0.0020821 AlO3H3 0.0000196 AlCl 0.147625 AlCl2 0.0727628 AlCl3 0.008147 AlOCl 0.0057594 AlOCl2 0.0001741 AlHCl 0.0016888 AlH2Cl 0.4271e-5 AlHCl2 0.0004212 AlOHCl 0.0247981 AlO2H2Cl 0.0007004 AlOHCl2 0.0072965 Fe 0.0373232 FeO 0.0003403 FeOH 0.006382 FeO2H2 0.0006065 FeCl 0.09714 FeCl2 0.110064 FeCl3 0.0000539 -1*Cl 0.0000392 +1*Al 0.0000338 +1*Fe 0.6216e-5 AlO 0.0013467 ũỏỏơẹòơ ỏúĂôúẹò - ổờ (úx.ceeĂe) P=1.28237 T=2714.72 V=0.629351 S=9.48972 I=-3157.31 U=-3964.37 M=38.83 Cp=1.87459 k=1.18848 Cp"=2.4948 k"=1.16436 A=967.214 Mu=0.0000808 Lt=0.354445 Lt"=0.607708 MM=25.7533 Cp.ú=2.00105 k.ú=1.27619 MM.ú=19.1996 R.ú=433.063 Z=0.313515 ẵ=0 Bm=0.0365527 n=1.14938 W=1709.41 W/A=1.76735 F/F*=1.52791 F"=0.0003682 Iủằ=222.464 ổôủẹêỏĂẹ ơôẳằôĂẹĂôú - ẳoẵ/ơỳ O 0.0003315 O2 0.0000267 H 0.36903 H2 13.503 OH 0.0191252 H2O 2.71687 Cl 0.0962632 Cl2 0.0001075 ClO 0.2964e-5 HCl 5.10017 HOCl 0.9340e-5 N 0.5237e-5 N2 2.9523 NO 0.0007108 NH 0.0000212 NH2 0.0000295 NH3 0.0002615 CO 10.3609 CO2 0.306917 CH4 0.2077e-5 CHO 0.0001452 CHO2 0.4987e-5 CH2O 0.0000206 CH2O2 0.3436e-5 ClCO 0.5944e-5 HCN 0.0002332 Al 0.0001298 Al2O 0.0000377 k*Al2O3 3.07484 AlH 0.0000403 AlOH 0.0029666 HAlO2 0.9751e-5 AlO2H2 0.0002824 AlO3H3 0.2937e-5 AlCl 0.0357446 AlCl2 0.0236533 AlCl3 0.0044239 AlOCl 0.0011699 AlOCl2 0.0000286 AlHCl 0.0002076 AlHCl2 0.0000889 AlOHCl 0.0050857 AlO2H2Cl 0.0001667 AlOHCl2 0.0026156 Fe 0.0195712 FeO 0.0000898 FeOH 0.0042509 FeO2H2 0.0002576 FeCl 0.0749921 FeCl2 0.152703 FeCl3 0.0000505 -1*Cl 0.4811e-5 +1*Al 0.3388e-5 +1*Fe 0.1462e-5 AlO 0.0001005 P.18 Phụ lục PHƢƠNG ÁN THỬ NGHIỆM VÀ CÁC KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM ĐO THÔNG SỐ ÁP SUẤT TRONG ĐỘNG CƠ MẪU SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU HỖN HỢP SD-17/18M Ở ĐIỀU KIỆN THƢỜNG P.19 P.20 P.21 P.22 P.23 P.24 P.25 P.26 P.27 P.28 P.29 Phụ lục KẾT QUẢ KIỂM ĐỊNH PHƢƠNG TIỆN ĐO P.30 ... SPC để tìm phương pháp xác định xác tham số làm việc đặc trưng động hướng có ý nghĩa lớn kỹ thuật tên lửa Bài toán nghiên cứu ảnh hưởng số tham số buồng đốt đến tham số làm việc đặc trưng động tên... số tham số buồng đốt đến tham số làm việc đặc trưng động tên lửa nhiên liệu rắn” thực cần thiết, có tính khoa học có ý nghĩa thực tiễn Mục đích nghiên cứu - Chính xác hóa phương pháp xác định tham. .. hưởng số tham số buồng đốt tính chất hai pha SPC, đường kính buồng đốt, diện tích khí đĩa chắn thuốc ống lót đến chuyển động dòng SPC tham số làm việc ĐTRHH - Về thực nghiệm: + Thực nghiệm đo tham