Vì vậy, để lý giải và xác định được chính xác hơn quy luật tốc độ cháy của thỏi nhiên liệu hữu cơ RSI-12M trong mô hình động cơ sử dụng liều phóng liên hợp hai thành phần trên đây cần [r]
(1)MỘT PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM ĐO NHIỆT ĐỘ SẢN PHẨM CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ TÊN LỬA Mai Văn Tú*, Mai Khánh, Đặng Văn Hùng, Phạm Quang Minh Tóm tắt: Trong q trình động tên lửa nhiên liệu rắn làm việc, biến đổi hóa - lý pha rắn tác động dịng nhiệt từ pha khí làm ảnh hưởng đến tốc độ cháy liều nhiên liệu Để xác định dịng nhiệt từ pha khí truyền vào pha rắn cần phải xác định nhiệt độ sản phẩm cháy buồng đốt động Bài báo trình bày phương pháp đo nhiệt độ sản phẩm cháy buồng đốt động tên lửa nhiên liệu rắn cặp nhiệt loại S thiết kế chế tạo theo cấu trúc hở (không có lớp vỏ bảo vệ) để tăng thời gian đáp ứng cho hệ thống đo Từ khóa: Động tên lửa (ĐTR),Nhiên liệu rắn, Nhiệt độ, Sản phẩm cháy (SPC)
1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Nghiên cứu trình cháy nhiên liệu rắn đồng thể động tên lửa [1, 2, 4, 5, 6] với mơ hình nhiệt q trình cháy chiều nhiên liệu minh họa hình [5] ra: Tốc độ cháy nhiên liệu không phụ thuộc vào giá trị tham số nhiệt độ ban đầu nhiên liệu T0, áp suất p tốc độ chuyển động w dòng sản phẩm cháy
buồng đốt mà phụ thuộc vào khối lượng nhiên liệu phân rã khối lượng nhiên liệu tham gia vào phản ứng hóa học pha rắn tác dụng trường nhiệt độ T vùng nhiên liệu bị nung nóng từ nhiệt độ ban đầu T0 đến nhiệt độ bề mặt cháy TS
Hình 1. Mơ hình nhiệt trình cháy nhiên liệu rắn buồng đốt ĐTR Ảnh hưởng trường nhiệt độ đến tốc độ phản ứng hóa học nhiên liệu pha rắn thể qua hệ số tốc độ phản ứng K(T) xác định theo quy luật Arrhenius dạng [4]:
0 E R T
0 p
p
k e khi T T
K( T )
0 khi T T
(1.1)
trong đó: E - lượng hoạt hố; R0 - số khí tổng quát; k0 - số; T - nhiệt độ
nhiên liệu vùng bị nung nóng; TP - nhiệt độ bắt đầu xảy phản ứng hóa học
pha rắn nhiên liệu
Trường nhiệt độ T vùng nhiên liệu bị nung nóng phụ thuộc vào cường độ dịng nhiệt q từ pha khí truyền vào pha rắn xác định theo công thức Newton [2]:
G S
qα( T T ) (1.2)
trong đó: - hệ số trao đổi nhiệt tổng hợp; TG - nhiệt độ sản phẩm cháy pha khí;
(2)Theo (1.2), để xác định cường độ dòng nhiệt q từ pha khí cần phải xác định thông số: hệ số trao đổi nhiệt tổng hợp nhiệt , nhiệt độ sản phẩm cháy pha khí TG nhiệt độ bề mặt cháy nhiên liệu TS
Động sử dụng liều phóng liên hợp rắn hai thành phần hình gồm: thỏi nhiên liệu hỗn hợp (vị trí 1) cháy ổn định áp suất thấp [3] thỏi nhiên liệu hữu RSI-12M (vị trí 2) Trong thời gian động làm việc thỏi nhiên liệu hỗn hợp cháy liên tục tạo nguồn nhiệt ổn định trì thỏi nhiên liệu hữu RSI-12M cháy ổn định buồng đốt động Kết thực nghiệm [3] cho thấy thỏi nhiên liệu hữu RSI-12M cháy ổn định điều kiện áp suất buồng đốt động nhỏ áp suất giới hạn Điều cho thấy, tác động dòng nhiệt từ sản phẩm cháy yếu tố định đến trình cháy thỏi nhiên liệu RSI-12M Các số liệu thực nghiệm tốc độ cháy nhiên liệu RSI-12M [3] có sai khác nhiều so với kết nghiên cứu [1, 2, 4] Vì vậy, để lý giải xác định xác quy luật tốc độ cháy thỏi nhiên liệu hữu RSI-12M mơ hình động sử dụng liều phóng liên hợp hai thành phần cần thiết phải nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng dòng nhiệt từ SPC đến q trình nhiệt - lí - hóa pha rắn nhiên liệu RSI-12M buồng đốt động
Bài báo giới thiệu phương pháp thực nghiệm đo nhiệt độ sản phẩm cháy TG
trong buồng đốt động nhiên liệu rắn sử dụng liều phóng liên hợp hai thành phần (hình 2) Số liệu thực nghiệm thông số đầu vào để nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng trường nhiệt độ pha rắn đến quy luật tốc độ cháy nhiên liệu RSI-12M mô hình động tên lửa sử dụng liều phóng liên hợp rắn hai thành phần
2 XÂY DỰNG PHƯƠNG TIỆN ĐO 2.1 Cơ sở khoa học
Động sử dụng liều phóng liên hợp rắn hai thành phần hình mơ hình động nghiên cứu với số thông số nhiệt động tính tốn hiệu chỉnh sơ sở kết thực nghiệm [3] là:
- Áp suất làm việc, bar: đến 15; - Thời gian làm việc, giây: đến 10;
- Nhiệt độ sản phẩm cháy, 0C: 1000 đến 1750
1- Thỏi nhiên liệu hỗn hợp; 2- Thỏi nhiên liệu hữu RSI-12M; 3- Vị trí gắn cặp nhiệt; 4- Khối loa
Hình 2. Động sử dụng liều phóng liên hợp rắn hai thành phần
Nhiệt độ đại lượng đo gián tiếp sở tính chất vật phụ thuộc nhiệt độ, có nhiều nguyên lý cảm biến khác để chế tạo cảm biến nhiệt độ như: nhiệt điện trở, cặp nhiệt ngẫu, phương pháp quang dựa phân bố phổ xạ nhiệt, phương pháp dựa giãn nở vật rắn, lỏng, khí dựa tốc độ âm [8]…Về nguyên lý phương tiện đo nhiệt độ nói chung vấn đề kinh điển nhiều tài liệu đề cập sản phẩm thương mại hóa với giá thành hợp lý Tuy nhiên, với đối tượng đo nhiệt độ SPC buồng đốt động nhiên liệu rắn có nhiệt độ cao (từ 1000 oC đến 1750
oC) tốc độ thay đổi nhanh thời gian làm việc động ngắn (từ giây đến 10
(3)Hình 4. Module DAQP-THERM Để đảm bảo kết đo xác cần thiết phải thiết kế chế tạo cảm biến nhiệt đảm bảo điều kiện sau:
- Dải đo: đến 1750 oC;
- Thời gian đáp ứng: ≈ giây
2.2 Thiết kế chế tạo cặp nhiệt đo nhiệt độ SPC
Các cảm biến cặp nhiệt có thời gian đáp ứng dài hay ngắn phụ thuộc vào cấu tạo chúng Một số mơ hình cảm biến cặp nhiệt sử dụng là:
Trong trường hợp 1: Để đo nhiệt độ đối tượng có nhiệt độ thay đổi chậm người ta thường dùng cảm biến cặp nhiệt có lớp vỏ bảo vệ để cảm biến khơng bị hỏng môi trường đo như: cảm biến cặp nhiệt hình 3.a có thời gian đáp ứng từ phút đến 10 phút; cảm biến cặp nhiệt hình 3.b có thời gian đáp ứng từ 15 giây đến 45 giây Các cảm biến không phù hợp với đối tượng đo nhiệt độ SPC buồng đốt động nói
Trong trường hợp 2: Để đo nhiệt độ đối tượng có nhiệt độ thay đổi nhanh phải sử dụng cảm biến cặp nhiệt khơng có lớp vỏ bảo vệ hình 3.c với thời gian đáp ứng đạt 1s đến 3s Đây mô hình kết cấu cảm biến cặp nhiệt nhóm tác giả lựa chọn để thiết kế cặp nhiệt đo nhiệt độ SPC buồng đốt động sử dụng liều phóng liên hợp
Hình Cấu tạo cảm biến cặp nhiệt có đáp ứng thời gian khác nhau.
Do nhiệt độ SPC buồng đốt động cao từ 1000 oC đến 1750 oC nên theo [8] nhóm tác giả lựa chọn cảm biến cặp nhiệt kiểu S chế tạo từ vật liệu Platinum -10% Rhodium (+) Platinum (-) có dải đo nhiệt độ từ C đến 1750 C Theo [8] biểu thức liên hệ nhiệt độ sức điện động cặp nhiệt loại S tính theo (2.1)
2 3 n
0 1 2 3 n
Ta a xa x a x a x (2.1) Trong đó: T- nhiệt độ (oC); a - hệ số đa thức cặp nhiệt loại S cho bảng 1; x - Sức điện động cặp nhiệt (mV); n - Bậc cực đại đa thức (phụ thuộc vào độ xác cặp nhiệt)
Bảng1 Hệ số đa thức a cặp nhiệt S
Hệ số a a0 a1 a2 a3 a4
Cặp nhiệt S 5,333875.104 -1,235892.104 1,092657.103 -4,265693.101 6,247205.10-1
Các dây Platinum -10% Rhodium (+) Platinum (-) sử dụng để chế tạo cặp nhiệt loại S có đường kính dây 0,51 mm hàn với băng hồ quang theo phương pháp Slavianoff [7]
2.3 Xây dựng đồng hệ thống đo
Cặp nhiệt S sau chế tạo ghép nối đồng với thiết bị đo đa DEWE-4000 thơng qua module DAQP-THERM (hình 4) Module DAQP-THERM thực tuyến tính hóa cặp nhiệt S theo biểu thức (2.1), kết đo hiển thị lưu giữ phần mềm DasyLab 11.0 thiết bị DEWE-4000
Ngoài để đảm bảo an toàn q trình thí nghiệm máy đo phải đặt cách xa trung tâm thử nghiệm (tối thiểu 100 mét) nên dây dẫn phải nối dài Như vậy, điện trở dây nối dài tăng lên đáng kể Vì vật liệu làm cặp nhiệt có điện trở suất lớn giá thành
(4)khá đắt nên nhóm tác giả sử dụng loại vật liệu rẻ tiền có điện trở suất thấp để làm dây nối dài Việc làm phát sinh điện áp nhiệt điện phụ tải điểm nối Để giải vấn đề nhóm tác giả sử dụng cặp dây bù để khử thay đổi nhiệt độ điểm trung gian dây dẫn từ trung tâm thử nghiệm đến vị trí máy đo [8]
3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Kết đo nhiệt độ SPC
Sơ đồ thiết bị đo thử nghiệm theo [3];
Khi thử nghiệm đo nhiệt độ SPC cặp nhiệt S lắp vào động vị trí (hình 2) thực tế (hình 5.a) Kết đo nhiệt độ sản phẩm cháy áp suất động sử dụng liều phóng liên hợp hai thành phần (hình 5.b)
a) Cặp nhiệt S lắp vào động
b) Kết đo nhiệt độ sản phẩm cháy áp suất động Hình Thực nghiệm đo nhiệt độ SPC buồng đốt động sử dụng liều phóng liên hợp rắn hai thành phần
3.2 Thảo luận
Quan sát đồ thị nhiệt độ SPC đồ thị áp suất làm việc động nhận thấy thời điểm 23 giây trục thời gian áp suất làm việc động đạt giá trị cực đại 12,5 bar nhiệt độ SPC đạt giá trị cực đại 1243 oC Điều phù hợp với quy luật nhiệt động động Kết thực nghiệm cho thấy tốc độ đáp ứng hệ thống đo nhiệt độ sử dụng cặp nhiệt S chế tạo theo phương pháp khơng có vỏ bọc đảm bảo yêu cầu đo nhiệt độ SPC buồng đốt động đặt
4 KẾT LUẬN
Từ kết nghiên cứu thực nghiệm rút số kết luận sau: Cặp nhiệt
(5)- Bằng cách lựa chọn cặp nhiệt phù hợp chế tạo theo phương pháp khơng có vỏ bọc (hở đầu) đo nhiệt độ SPC buồng đốt động nhiên liệu rắn có giá trị lớn tốc độ thay đổi nhiệt độ nhanh
- Do hạn chế mặt thời gian kinh phí nên việc nghiên cứu thực nghiệm đo nhiệt độ SPC tiến hành động kết đo phản ánh quy luật nhiệt độ SPC buồng đốt động quy luật nhiệt động động Kết nghiên cứu có tính ứng dụng thực tiễn cần tiếp tục đầu tư nghiên cứu chuyên sâu nhằm tạo sản phẩm hồn chỉnh phục vụ cơng tác nghiên cứu thiết kế chế tạo loại động tên lửa nhiên liệu rắn
Lời cảm ơn: Nghiên cứu tài trợ Nhiệm vụ cấp Bộ Quốc phòng: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo động hành trình dùng thuốc phóng keo RSI-12M
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Ngơ Văn Giao, “Tính chất thuốc phóng nhiên liệu tên lửa”, Học viện Kỹ thuật quân (2005)
[2] Phạm Thế Phiệt, “Lý thuyết động tên lửa,” Học viện KTQS (1995)
[3] Mai Văn Tú, Mai Khánh, Bùi Duy Nam, Nguyễn Ngọc Lân, “Một vài kết thực nghiệm kéo dài thời gian cháy nhiên liệu rắn động tên lửa”, TC Nghiên cứu KHCNQS, số 36 (2015), tr.40-45
[4] Đặng Hồng Triển, Luận án tiến sĩ kỹ thuật, “Nghiên cứu xác định quy luật tốc độ cháy nhiên liệu rắn tên lửa sở đo đặc tuyến làm việc động mẫu” Viện Khoa học Công nghệ quân (2009)
[5] Р.Е Соркину, “Газотермодинамика ракетных двигателей на твердом топливе”, Наука Москва (1967)
[6] Я.Б.Зельдович, О.И.Лейпунский, В.Б.Лбрович, “Теория нестационарного горения пороха”, Наука Москва (1975)
[7] Nataiguor Premchand Mahalik, “Mechatronics”, McGraw Hill, Boston, pp.322-343, (2004)
[8] E.O Doebelin, “Measurement systems”, McGraw-Hill Pub Com N Y, 1993 [9] By P.A.Kinzie, “Thermocouple temperature measurement”, pag 277
ABSTRACT
AN EXPERIMENTAL METHOD OF MEASURING COMBUSTION PRODUCT TEMPERATURE IN SOLID-PROPELLANT ROCKET MOTOR
During the working process of solid-propellant rocket motor, the physical and chemical modifications in the solid phase under the action of heat flow from the gas phase affect the burning rate of solid-propellant dose To determine the heat flow from the gas phase to the solid phase, we must determine combustion product temperature in the motor combustion chamber This article presents a method of measuring combustion product temperature in solid-propellant rocket motor with the type S thermocouple designed and manufactured according to the open structure (without coating) to increase the response time of the measurement system.
Keywords: Rocket motor, Solid-propellant, Temperature, Combustion products (SPC)
Nhận ngày 09 tháng năm 2015 Hoàn thiện ngày 22 tháng 10 năm 2015 Chấp nhận đăng ngày 25 tháng 12 năm 2015
Địa chỉ: Viện Tên lửa, Viện KH-CN quân sự;
*