Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ảnh hưởng của một số tham số kết cấu đến chế độ làm việc của động cơ tên lửa nhiên liệu rắn hai buồng đốt làm việc nối tiếp

Chia sẻ: Tỉ Thành | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:178

Thêm vào BST

Báo xấu

81
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của luận án: Thiết lập luận cứ khoa học cho việc nghiên cứu, tính toán thiết kế ĐTRHBN có độ tin cậy làm việc cao bằng việc sử dụng cụm giữ chậm có kết cấu kiểu buồng đốt ĐTR. Lựa chọn được bộ tham số kết cấu hợp lý trên cơ sở sử dụng liều nhiên liệu đã sản xuất ổn định tại Việt Nam, đảm bảo yêu cầu làm việc ổn định, tạo ra các chế độ lực đẩy khác nhau, phục vụ cho tính toán thiết kế.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ảnh hưởng của một số tham số kết cấu đến chế độ làm việc của động cơ tên lửa nhiên liệu rắn hai buồng đốt làm việc nối tiếp

i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ BÙI ĐÌNH TÂN NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THAM SỐ KẾT CẤU ĐẾN CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ TÊN LỬA NHIÊN LIỆU RẮN HAI BUỒNG ĐỐT LÀM VIỆC NỐI TIẾP LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2019
ii BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ BÙI ĐÌNH TÂN NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THAM SỐ KẾT CẤU ĐẾN CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ TÊN LỬA NHIÊN LIỆU RẮN HAI BUỒNG ĐỐT LÀM VIỆC NỐI TIẾP Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật Mã số: 9 52 02 01 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1- TS Hà Đình Dương 2- TS Lê Song Tùng HÀ NỘI - 2019
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu và kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố ở bất kỳ công trình nào khác, các tài liệu tham khảo được trích dẫn đầy đủ. Hà Nội, ngày 30 tháng 5 năm 2019 Tác giả luận án Bùi Đình Tân
ii MỤC LỤC Trang DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT .................................. v DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................ ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ......................................................... x MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 1 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ HAI BUỒNG ĐỐT LÀM VIỆC NỐI TIẾP VÀ MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU .......................................... 7 1.1. Động cơ tên lửa nhiên liệu rắn nhiều chế độ lực đẩy .......................... 7 1.1.1. Ứng dụng động cơ nhiều chế độ lực đẩy trong thực tế .................. 7 1.1.2. Một số sơ đồ nguyên lý kết cấu động cơ nhiều chế độ lực đẩy và phạm vi ứng dụng ................................................................................. 10 1.1.3. Đặc điểm của động cơ một buồng đốt nhiều chế độ lực đẩy ....... 13 1.2. Động cơ hai buồng đốt làm việc nối tiếp .......................................... 17 1.2.1. Sơ lược về kết cấu ...................................................................... 17 1.2.2. Các chế độ lực đẩy nối tiếp ......................................................... 18 1.3. Hiện trạng của vấn đề nghiên cứu ..................................................... 19 1.3.1. Tình hình nghiên cứu của nước ngoài ......................................... 19 1.3.2. Tình hình nghiên cứu trong nước ................................................ 20 1.4. Phân tích, lựa chọn mô hình nghiên cứu ........................................... 25 1.4.1. Cơ sở lựa chọn mô hình nghiên cứu ........................................... 25 1.4.2. Lựa chọn mô hình kết cấu động cơ ............................................. 27 1.4.3. Nguyên lý làm việc của động cơ ................................................. 29 1.4.4. Các giai đoạn làm việc của động cơ ............................................ 31 1.5. Các tham số kết cấu ảnh hưởng đến chế độ làm việc của động cơ hai buồng đốt làm việc nối tiếp ................................................................. 36 1.6. Kết luận chương 1 ............................................................................ 38
iii Chương 2 MÔ HÌNH LÝ THUYẾT CÁC QUÁ TRÌNH LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ HAI BUỒNG ĐỐT LÀM VIỆC NỐI TIẾP ..................... 39 2.1. Giả thiết và các quá trình xảy ra trong các buồng đốt ....................... 40 2.1.2. Các giả thiết cơ bản .................................................................... 40 2.1.3. Quá trình cháy, sinh khí của thuốc mồi và thuốc phóng. ............. 40 2.1.4. Quá trình trao đổi khí giữa các buồng đốt ................................... 44 2.1.5. Quá trình truyền nhiệt từ sản phẩm cháy tới các bề mặt tiếp xúc 48 2.1.6. Quá trình phụt khí qua loa phụt .................................................. 52 2.1.7. Quá trình thay đổi trạng thái và biến đổi năng lượng trong các buồng đốt. ............................................................................................ 53 2.2. Hệ phương trình mô tả quá trình làm việc của các buồng đốt và động cơ..................................................................................................... 57 2.2.1. Các phương trình mô tả các quá trình của từng buồng đốt .......... 57 2.2.2. Hệ phương trình .......................................................................... 59 2.3. Sơ đồ thuật giải bài toán tổng quát.................................................... 65 2.4. Tính toán một số tham số làm việc của các buồng đốt ...................... 67 2.5. Kết luận chương 2 ............................................................................ 74 Chương 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ................................................ 75 3.1. Thử nghiệm buồng giữ chậm ............................................................ 75 3.1.1. Cấu tạo buồng giữ chậm và động cơ thử nghiệm ........................ 75 3.1.2. Nguyên lý làm việc của động cơ thử nghiệm .............................. 78 3.1.3. Kết quả tính toán và thử nghiệm ................................................. 78 3.1.4. Kết quả tính toán và thử nghiệm ................................................. 80 3.2. Thử nghiệm trên động cơ mẫu .......................................................... 84 3.2.1. Kết cấu động cơ mẫu .................................................................. 84 3.2.2. Tính toán các thông số làm việc của các buồng đốt .................... 87 3.2.3. Sơ đồ thử nghiệm động cơ mẫu .................................................. 88 3.2.4. Kết quả thử nghiệm động cơ mẫu tầng một ................................ 90
iv 3.2.5. Kết quả thử nghiệm động cơ mẫu tầng hai .................................. 92 3.2.6. Kết quả thử nghiệm phối hợp trên động cơ mẫu ......................... 93 3.3. Thử nghiệm trên động cơ kéo vũ khí FMV-B1 ................................. 95 3.4. Kết luận chương 3 ............................................................................ 98 Chương 4 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THAM SỐ KẾT CẦU ĐẾN CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ HAI BUỒNG ĐỐT LÀM VIỆC NỐI TIẾP ....................................................................... 99 4.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của chiều dài liều giữ chậm .......................... 99 4.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của đường kính liều giữ chậm .................... 104 4.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của đường kính lỗ trích khí ........................ 110 4.4. Nghiên cứu ảnh hưởng của khối lượng liều mồi 2 .......................... 115 4.5. Kết luận chương 4 .......................................................................... 120 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................... 121 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ .............. 124 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................... 125 PHỤ LỤC .................................................................................................... P1 Phụ lục 1: TÍNH TOÁN CÁC ĐẶC TRƯNG NHIỆT ĐỘNG HỌC THUỐC PHÓNG BẰNG PHẦN MỀM ASTRA ............................................ P2 Phụ lục 2: CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN CÁC ĐẶC TRƯNG LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ HAI BUỒNG ĐỐT LÀM VIỆC NỐI TIẾP ............. P4 Phụ lục 3: SƠ LƯỢC VỀ TÍNH TOÁN KỸ THUẬT QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CỦA TÊN LỬA KÉO CHUỖI NỔ MỀM ...................... P11 Phụ lục 4: CÁC PHIẾU BÁO KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM ........................... P15
v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT a - Hệ số cân bằng nhiệt m2/s. cp, cpe, cpm - Nhiệt dung riêng đẳng áp của hỗn hợp SPC trong buồng đốt, của SPC thuốc phóng và của SPC thuốc mồi J/(kg.K). cvl, ce - Nhiệt dung riêng của vật liệu vỏ động cơ và của nhiên liệu rắn J/(kg.K). Cp - Hệ số lực đẩy của động cơ. D n, d t - Đường kính ngoài, đường kính trong liều nhiên liệu [m]. dth, da - Đường kính tiết diện tới hạn và cửa ra của loa phụt m. e0, e0m - Bề dày cháy ban đầu của liều nhiên liệu, của thuốc mồi m. Fth, Fa - Diện tích tiết diện tới hạn và tiết diện cửa ra của loa phụt m2. k - Chỉ số mũ đoạn nhiệt của sản phẩm cháy. K0(k) - Hàm chỉ số mũ đoạn nhiệt. KT - Hệ số phụ thuộc tốc độ cháy vào nhiệt độ ban đầu [1/K]. K - Hệ số cháy xói mòn s/m. K - Hệ số trong công thức tính truyền nhiệt đối lưu m/(kg.s.K). Lk - Chiều dài (tương đương) của buồng đốt [m]. Ltp, Lgc - Chiều dài liều nhiên liệu và chiều dài liều giữ chậm [m]. m - Khối lượng SPC trong buồng đốt tại một thời điểm kg. mtp, mm, - Khối lượng của liều phóng, khối lượng của liều mồi, khối mm0 lượng ban đầu của liều mồi kg. m  , m  - Lưu lượng sinh khí của liều nhiên liệu và lưu lượng phụt khí qua loa phụt kg/s. m gc 1 , m gc  2 - Lưu lượng trao đổi khí giữa BGC với BĐ1 và giữa BGC với BĐ2 kg/s. m m - Lưu lượng sinh khí của thuốc mồi kg/s.
vi p, pk - Áp suất trong buồng đốt, áp suất làm việc ổn định của động cơ Pa. pm, p* - Áp suất mồi, áp suất mở nắp bịt loa phụt Pa. p0,pn - Áp suất ban đầu, áp suất môi trường Pa. P - Lực đẩy của động cơ N. P1, P2 - Lực đẩy của tầng một và lực đẩy tầng hai N. q - Dòng nhiệt riêng W/m2. Qe, Qm - Nhiệt lượng cháy của thuốc phóng, thuốc mồi J/kg. Q - Tổng nhiệt lượng sản phẩm cháy trong khoảng thời gian vô cùng bé dt J/s R, Re, Rm - Hằng số khí của khí trong buồng đốt, của khí thuốc phóng và của khí thuốc mồi J/(kg.K). S0, S(e) - Diện tích bề mặt ban đầu, diện tích bề mặt cháy tại tại thời điểm cháy hết bề dày cháy e của liều nhiên liệu m2. Sm - Diện tích bề mặt cháy của thuốc mồi m2. Sbdt - Diện tích bề mặt trong của vỏ động cơ m2. Slp - Số loa phụt. tlv - Thời gian làm việc của động cơ s. t0 - Thời điểm thuốc mồi bùng cháy. t1, t2 - Thời điểm buồng đốt thứ nhất bắt đầu làm việc ổn định và kết thúc giai đoạn làm việc ổn định của buồng đốt thứ nhất. t3 - Thời điểm kết thúc giai đoạn chuyển tiếp, chỉ còn buồng đốt thứ hai làm việc. t4, t5 - Thời điểm kết thúc giai đoạn làm việc ổn định của buồng đốt thứ hai và thời điểm động cơ kết thúc làm việc. tm,t1’, t1” - Khoảng thời gian thuốc mồi 1 cháy độc lập, khoảng thời gian thuốc mồi 1 và liều phóng 1 cháy đồng thời và khoảng thời gian dịch chuyển ổn định.
vii tct - Khoảng thời gian của giai đoạn chuyển tiếp. T1, TS - Nhiệt độ sản phẩm cháy, nhiệt độ lớp bề mặt liều phóng K. T, T* - Nhiệt độ phân rã và nhiệt độ bùng cháy của thuốc phóng K. Tbdt - Nhiệt độ bề mặt trong vỏ buồng đốt K. Tbd (x,t) - Trường nhiệt độ trong vỏ buồng đốt theo phương hướng kính và theo thời gian K. V, V0 - Thể tích tự do, thể tích tự do ban đầu của buồng đốt m3. u, um - Tốc độ cháy của thuốc phóng, thuốc mồi m/s. u1, u1m - Hệ số trong quy luật tốc độ cháy của thuốc phóng và của thuốc mồi m/s]. U1 - Nội năng của sản phẩm cháy J/kg. 2 - Hệ số truyền nhiệt của hỗn hợp sản phẩm cháy tới bề mặt trong vỏ buồng đốt W/(m2.K. K, P2 - Hệ số truyền nhiệt đối lưu, hệ số truyền nhiệt bức xạ W/(m2.K. K - Bề dày của lớp vỏ động cơ m.  - Nội năng tổng hợp của hỗn hợp sản phẩm cháy J/kg. , K - Hệ số dẫn nhiệt của SPC và của lớp vỏ động cơ W/(m.K). , m - Số mũ trong quy luật tốc độ cháy của thuốc phóng, thuốc mồi. 1, 2, gc, - Mật độ SPC trong buồng đốt thứ nhất, buồng đốt thứ hai và trong buồng giữ chậm kg/m3. vl - Mật độ vật liệu vỏ buồng đốt [kg/m3]. T, m - Mật độ thuốc phóng, mật độ thuốc mồi [kg/m3]. T - Hệ số tương thích trong tính hệ số truyền nhiệt m3/s3. 1, gc, 2 - Các chỉ số phụ tương ứng với buồng đốt thứ nhất, buồng giữ chậm và buồng đốt thứ hai. max, min - Các chỉ số tương ứng với giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất.
viii BĐ1 - Buồng đốt của tầng một. BĐ2 - Buồng đốt của tầng hai. BGC - Buồng giữ chậm. BTG - Buồng tạo giả buồng đốt thứ nhất. ĐCM - Động cơ mẫu. ĐCTL - Động cơ tên lửa. ĐTR - Động cơ tên lửa nhiên liệu rắn. ĐTRHBN - Động cơ hai buồng đốt làm việc nối tiếp. SPC - Sản phẩm cháy.
ix DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1. Đặc tính kỹ thuật cơ bản của một số tên lửa cỡ lớn ........................ 8 Bảng 1.2. Đặc tính kỹ thuật cơ bản của một số tên lửa cỡ nhỏ ........................ 9 Bảng 1.3. Thời gian cháy của liều phóng RSI-12M ...................................... 26 Bảng 2.1. Các thông số đặc trưng của thuốc mồi .......................................... 67 Bảng 2.2. Các thông số đặc trưng của nhiên liệu .......................................... 68 Bảng 2.3. Một số thông số kết cấu ĐTRHBN đề xuất .................................. 68 Bảng 2.4. Các thông số kết cấu cụm giữ chậm ĐTRHBN đề xuất ................ 69 Bảng 3.1. Các thông số kết cấu buồng giữ chậm và liều giữ chậm ............... 76 Bảng 3.2. Các thông số kết cấu buồng tạo giả .............................................. 77 Bảng 3.3. Kết quả tính toán các thông số làm việc buồng giữ chậm ............. 80 Bảng 3.4. Kết quả đo các thông số làm việc của BTG và BGC .................... 83 Bảng 3.5. So sánh kết quả tính toán và thử nghiệm ...................................... 83 Bảng 3.6. Một số thông số kết cấu ĐCM ...................................................... 86 Bảng 3.7. Thông số kết cấu cụm giữ chậm ................................................... 87 Bảng 3.8. Kết quả tính toán tham số làm việc của buồng đốt tầng một ......... 88 Bảng 3.9. Kết quả đo tham số làm việc của buồng đốt tầng một ĐCM ......... 91 Bảng 3.10. Kết quả đo tham số làm việc của buồng đốt tầng hai ĐCM ........ 92 Bảng 3.11. Kết quả tính toán và thử nghiệm tham số làm việc của ĐCM ..... 94 Bảng 3.12. So sánh kết quả tính toán với kết quả thực nghiệm ..................... 97 Bảng 4.1. Thời gian làm việc phụ thuộc vào chiều dài liều giữ chậm ......... 100 Bảng 4.2. Các giá trị chiều dài liều giữ chậm của động cơ ......................... 102 Bảng 4.3. Thông số quỹ đạo chuyển động các động cơ kéo ........................ 103 Bảng 4.4. Thời gian làm việc phụ thuộc vào đường kính liều giữ chậm ..... 105 Bảng 4.5. Các phương án đường kính liều giữ chậm .................................. 107 Bảng 4.6. Khối lượng liều giữ chậm và tổng xung phụ thuộc vào Dgc ........ 109 Bảng 4.7. Thời gian làm việc phụ thuộc vào dv1 ......................................... 111 Bảng 4.8. Các phương án đường kính lỗ trích khí ...................................... 113
x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Trang Hình 1.1. Dạng đồ thị lực đẩy gồm hai chế độ khác nhau ............................... 9 Hình 1.2. Một số sơ đồ động cơ hai chế độ lực đẩy ...................................... 11 Hình 1.3. Sơ đồ kết cấu động cơ hai buồng đốt liên thông ............................ 12 Hình 1.4. Sơ đồ kết cấu ĐTRHBN chung loa phụt ....................................... 17 Hình 1.5. Sơ đồ lực đẩy động cơ hai buồng đốt ............................................ 18 Hình 1.6. Đồ thị lực đẩy (lý thuyết) của động cơ kéo vũ khí FR ................... 21 Hình 1.7. Mô hình kết cấu động cơ kéo vũ khí FR ....................................... 21 Hình 1.8. Đồ thị lực đẩy động cơ kéo vũ khí MCT ....................................... 22 Hình 1.9. Kết cấu động cơ kéo vũ khí FMV-B1 ........................................... 23 Hình 1.10. Đồ thị lực đẩy động cơ kéo vũ khí FMV- B ................................ 24 Hình 1.11. Các giai đoạn hoạt động của hệ vũ khí kéo chuỗi nổ mềm .......... 25 Hình 1.12. Mô hình kết cấu ĐTRHBN ......................................................... 27 Hình 1.13. Mô hình kết cấu cụm trung gian và cụm giữ chậm ...................... 28 Hình 1.14. Đồ thị lực đẩy lý thuyết của ĐTRHBN ....................................... 30 Hình 1.15. Đồ thị áp suất của BGC, BĐ1 trong giai đoạn I và giai đoạn II ... 32 Hình 1.16. Đồ thị áp suất của BGC, BĐ1 và BĐ2 trong giai đoạn III ........... 34 Hình 1.17. Đồ thị áp suất của BĐ2 trong giai đoạn IV và giai đoạn V .......... 35 Hình 2.1. Sơ đồ trao đổi khí qua van ............................................................ 44 Hình 2.2. Sơ đồ thuật giải bài toán tổng quát ................................................ 66 Hình 3.1. Buồng giữ chậm lắp và nắp sau của buồng tạo giả ........................ 76 Hình 3.2. Cấu tạo động cơ thử nghiệm ......................................................... 77 Hình 3.3. Sơ đồ động cơ thử nghiệm ............................................................ 79 Hình 3.4. Đồ thị áp suất tính toán trong BGC và BTG ................................. 80 Hình 3.5. Gá lắp động cơ lên giá thử ............................................................ 82 Hình 3.6. Đồ thị áp suất BGC tính toán và thực nghiệm với Lgc=22,5 mm ... 82
xi Hình 3.7. Đồ thị áp suất BGC tính toán và thực nghiệm với Lgc=30 mm ...... 82 Hình 3.8. Động cơ mẫu tầng một .................................................................. 84 Hình 3.9. Động cơ mẫu tầng hai ................................................................... 85 Hình 3.10. Động cơ mẫu hai buồng đốt ........................................................ 85 Hình 3.11. Cụm giữ chậm động cơ kéo FMV-B1 ......................................... 85 Hình 3.12. Đồ thị áp suất của buồng đốt tầng một ĐCM .............................. 88 Hình 3.13. Đồ thị lực đẩy của tầng một ĐCM .............................................. 88 Hình 3.14. Đồ thị áp suất của buồng đốt tầng hai ĐCM................................ 88 Hình 3.15. Đồ thị lực đẩy của tầng hai ĐCM................................................ 88 Hình 3.16. Sơ đồ thử nghiệm động cơ .......................................................... 89 Hình 3.17. Lắp động cơ lên giá thử .............................................................. 89 Hình 3.18. Hình ảnh ĐCM tầng một, tầng hai trước thử nghiệm .................. 89 Hình 3.19. Đồ thị đo áp suất trong buồng đốt tầng một ĐCM....................... 90 Hình 3.20. Đồ thị đo lực đẩy của tầng một ĐCM ......................................... 91 Hình 3.21. Đồ thị đo áp suất trong buồng đốt tầng hai ĐCM ........................ 92 Hình 3.22. Đồ thị đo lực đẩy của tầng hai ĐCM ........................................... 93 Hình 3.23. Đồ thị lực đẩy ĐCM tính toán ..................................................... 94 Hình 3.24. Đồ thị lực đẩy tính toán .............................................................. 96 Hình 3.25. Thử nghiệm động cơ trên giá đo nằm .......................................... 96 Hình 3.26. Đồ thị lực đẩy thực nghiệm ......................................................... 97 Hình 4.1. Đồ thị tgc, tlv phụ thuộc vào Lgc .................................................... 101 Hình 4.2. Đồ thị tgc, tch1, tlv1 phụ thuộc vào Lgc ............................................ 101 Hình 4.3. Đồ thị áp suất, lưu lượng trao đổi khí và lực đẩy ĐCGC1 ........... 102 Hình 4.4. Đồ thị áp suất, lưu lượng trao đổi khí và lực đẩy ĐCGC2 ........... 102 Hình 4.5. Đồ thị áp suất, lưu lượng trao đổi khí và lực đẩy ĐCGC3 ........... 102 Hình 4.6. Đồ thị tgc, tlv phụ thuộc vào Dgc ................................................... 106 Hình 4.7. Đồ thị tgc, tch1, tlv1 phụ thuộc vào Dgc ........................................... 106
xii Hình 4.8. Đồ thị áp suất, lưu lượng trao đổi khí và lực đẩy PA4.2.1 ........... 107 Hình 4.9. Đồ thị áp suất, lưu lượng trao đổi khí và lực đẩy PA4.2.2 ........... 108 Hình 4.10. Đồ thị áp suất, lưu lượng trao đổi khí và lực đẩy PA4.2.3 ......... 108 Hình 4.11. Đồ thị áp suất, lưu lượng trao đổi khí và lực đẩy PA4.2.4 ......... 108 Hình 4.12. Đồ thị áp suất và lực đẩy của ĐCGC3 khi Dgc=20mm .............. 109 Hình 4.13. Đồ thị tổng xung và khối lượng liều giữ chậm .......................... 110 Hình 4.14. Đồ thị tgc, tlv phụ thuộc vào dv1 .................................................. 112 Hình 4.15. Đồ thị tgc, tch1, tlv1 phụ thuộc vào dv1 .......................................... 112 Hình 4.16. Đồ thị áp suất, lưu lượng trao đổi khí và lực đẩy PA4.3.1 ......... 114 Hình 4.17. Đồ thị áp suất, lưu lượng trao đổi khí và lực đẩy PA4.3.2 ......... 114 Hình 4.18. Đồ thị áp suất, lưu lượng trao đổi khí và lực đẩy PA4.3.3 ......... 114 Hình 4.19. Đồ thị áp suất, lưu lượng trao đổi khí và lực đẩy PA4.3.4 ......... 114 Hình 4.20. Đồ thị áp suất và lực đẩy của ĐCGC3 khi dv1=10 mm .............. 115 Hình 4.21. Đồ thị p(t) giai đoạn mồi cháy với lượng mồi khác nhau .......... 115 Hình 4.22. Đồ thị áp suất BĐ2 khi bỏ qua tác động của dòng phụt ............. 117 Hình 4.23. Đồ thị áp suất trong BĐ2 ở giai đoạn đầu của quá trình làm việc khi tính đến tác động của dòng phụt ................................................. 118 Hình 4.24. Đồ thị áp suất BĐ2 thực nghiệm ............................................... 118 Hình P.1. Quỹ đạo chuyển động của phối bộ vũ khí ..................................... 11 Hình P.2. Quỹ đạo chuyển động của tên lửa sử dụng động cơ ĐCGC1 ........ 13 Hình P.3. Quỹ đạo chuyển động của tên lửa sử dụng động cơ ĐCGC2 ........ 13 Hình P.4. Quỹ đạo chuyển động của tên lửa sử dụng động cơ ĐCGC3 ........ 13 Hình P.6. Đồ thị vận tốc tên lửa sử dụng động cơ ĐCGC2 ........................... 14 Hình P.7. Đồ thị vận tốc tên lửa sử dụng động cơ ĐCGC3 ........................... 14
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài luận án Những năm gần đây, trước yêu cầu xây dựng Quân đội và bảo vệ Tổ quốc, nhất là sau Nghị quyết 06-NQ/TW (khóa XI) của Bộ Chính trị về xây dựng và phát triển công nghiệp quốc phòng, việc cải tiến, chế tạo vũ khí mới phù hợp với khả năng kinh tế, trình độ công nghệ, đặc điểm chiến tranh của Việt Nam là một hướng đi được đề cập nhiều nhằm giảm chi phí mua sắm, đảm bảo tính chủ động, bất ngờ trong tác chiến. Đối với vũ khí tên lửa, lực đẩy P và thời gian làm việc tlv là những đặc trưng làm việc quan trọng, nhằm đảm bảo tầm bắn của tên lửa theo đúng yêu cầu chiến-kỹ thuật đặt ra. Trong tính toán thiết kế động cơ tên lửa nhiên liệu rắn (ĐTR), để đạt được yêu cầu về thời gian và lực đẩy, người thiết kế thường tiếp cận, giải quyết theo hai hướng chủ yếu sau [2], [4], [35]: Hướng thứ nhất: Nghiên cứu chế tạo liều nhiên liệu mới đồng bộ cùng hệ thống động cơ hoàn chỉnh theo các yêu cầu chiến-kỹ thuật đặt ra. Theo hướng này, động cơ đáp ứng được đầy đủ nhất các yêu cầu đặt ra. Tuy nhiên, cần phải có chi phí lớn để đầu tư dây chuyền sản xuất và đầu tư trang thiết bị kiểm tra đánh giá. Ở Việt Nam, hiện mới chỉ sản xuất được một vài dạng liều nhiên liệu có kích thước hạn chế [3]. Gần đây, một số cơ sở nghiên cứu trong quân đội đã tiếp cận và đề xuất nghiên cứu chế thử liều nhiên liệu cho tên lửa phòng không tầm thấp, tên lửa chống tăng [11], [13], [16]. Thực tế cho thấy, để đưa một mẫu nhiên liệu mới vào sản xuất loạt cần phải có một khoảng thời gian tương đối dài với chi phí rất lớn. Hướng thứ hai: Sử dụng liều nhiên liệu sẵn có (kích thước cố định) để: - Thiết kế, chế tạo động cơ có nhiều buồng đốt làm việc nối tiếp nhau nhằm tạo ra nhiều chế độ lực đẩy và kéo dài thời gian làm việc tlv; - Thiết kế, chế tạo động cơ có nhiều buồng đốt làm việc song song (làm việc đồng thời) nhằm tăng lực đẩy P; - Nghiên cứu bọc chống cháy cho liều nhiên liệu có sẵn, nghiên cứu kéo dài thời gian cháy của liều nhiên liệu có sẵn bằng cách cho động cơ làm việc ở áp suất thấp,...
2 Theo hướng thứ hai, không những cho phép mở rộng phạm vi sử dụng liều nhiên liệu hiện có mà còn cho phép rút ngắn giai đoạn thiết kế kỹ thuật (bỏ qua giai đoạn chế thử nhiên liệu, bỏ qua giai đoạn thử nghiệm khả năng làm việc ổn định của liều nhiên liệu). Đồng thời, do sử dụng ngay liều nhiên liệu đã sản xuất ổn định để chế tạo động cơ nên giảm được chi phí đầu tư mua sắm máy móc, nhà xưởng, trang thiết bị kiểm tra đánh giá... Đây là một hướng nghiên cứu hợp lý, phù hợp với điều kiện thực tiễn của nước ta hiện nay. Vấn đề là phải lựa chọn được mô hình kết cấu hợp lý để tạo ra động cơ đạt được các yêu cầu chiến-kỹ thuật đặt ra. Hướng nghiên cứu này đã được giới thiệu trong một số tài liệu về lý thuyết ĐCTL [28], [40], [41]. Tuy nhiên, các tài liệu này mới chỉ dừng lại ở mức độ giới thiệu mô hình kết cấu, ưu nhược điểm và khả năng ứng dụng, còn vấn đề lý thuyết chưa được làm rõ. Việc nghiên cứu kết cấu, xây dựng cơ sở tính toán thiết kế động cơ có nhiều buồng đốt nhằm kéo dài thời gian làm việc và tạo ra nhiều chế độ lực đẩy là rất cần thiết, cần được quan tâm nghiên cứu [35]. Nghiên cứu sinh lựa chọn động cơ có kết cấu dạng hai buồng đốt làm việc nối tiếp nhau nhờ cụm giữ chậm trung gian (trong trường hợp tổng quát, cụm giữ chậm trung gian có dạng một buồng đốt động cơ) làm đối tượng nghiên cứu của luận án: “Nghiên cứu ảnh hưởng của một số tham số kết cấu đến chế độ làm việc của động cơ tên lửa nhiên liệu rắn hai buồng đốt làm việc nối tiếp”. 2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án - Thiết lập luận cứ khoa học cho việc nghiên cứu, tính toán thiết kế ĐTRHBN có độ tin cậy làm việc cao bằng việc sử dụng cụm giữ chậm có kết cấu kiểu buồng đốt ĐTR. - Lựa chọn được bộ tham số kết cấu hợp lý trên cơ sở sử dụng liều nhiên liệu đã sản xuất ổn định tại Việt Nam, đảm bảo yêu cầu làm việc ổn định, tạo ra các chế độ lực đẩy khác nhau, phục vụ cho tính toán thiết kế.
3 3. Nội dung nghiên cứu của luận án Nội dung nghiên cứu chính của luận án : - Nghiên cứu tổng quan về động cơ tạo ra nhiều chế độ lực đẩy, động cơ hai buồng đốt và tình hình nghiên cứu trong, ngoài nước; - Phân tích, lựa chọn mô hình nghiên cứu. Xác định nguyên lý làm việc, các giai đoạn làm việc và các quá trình có thể xảy ra trong các buồng đốt động cơ; - Nghiên cứu xây dựng các phương trình vi phân mô tả các quá trình xảy ra trong các buồng đốt khi kể tới ảnh hưởng của hiệu ứng mồi cháy, ảnh hưởng của sự trao đổi khí giữa buồng giữ chậm với các buồng đốt và ảnh hưởng của quá trình nhiệt trong các buồng đốt động cơ. Giải hệ phương trình đã xây dựng bằng phương pháp số; - Nghiên cứu thực nghiệm; - Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số kết cấu đến việc tạo ra chế độ lực đẩy cho động cơ. 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của luận án là ĐTRHBN sử dụng cụm giữ chậm có kết cấu kiểu buồng đốt ĐTR. Các tính toán được áp dụng với động cơ kéo chuỗi nổ mềm sử dụng nhiên liệu RSI-12M. Phạm vi nghiên cứu của luận án là toàn bộ quá trình làm việc của ĐTRHBN, trong đó tập trung vào các quá trình làm việc của cụm giữ chậm. 5. Phương pháp nghiên cứu Sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm. Nghiên cứu lý thuyết: - Nghiên cứu tổng quan về động cơ tạo ra nhiều chế độ lực đẩy nói chung và ĐTRHBN nói riêng. Phân loại, phân tích và xác định phạm vi ứng
4 dụng các mô hình kết cấu ĐTRHBN làm cơ sở cho việc lựa chọn mô hình nghiên cứu. - Nghiên cứu lý thuyết ĐCTL: từ các kết quả nghiên cứu về ĐTR được công bố trong các tài liệu: cấu tạo, nguyên lý, các giai đoạn làm việc và các quá trình hóa-lý-nhiệt xảy ra trong buồng đốt động cơ... cùng với việc vận dụng các định luật, định lý, các lý thuyết cơ bản về ĐCTL để xây dựng mô hình toán nhằm mô tả đầy đủ các quá trình lý-hóa-nhiệt xảy ra trong các buồng đốt theo thời gian làm việc của ĐTRHBN khi tính tới ảnh hưởng lẫn nhau giữa các buồng đốt. - Sử dụng các công cụ cũng như các phương pháp tính hiện đại để giải mô hình toán và xác định được các đặc trưng làm việc của ĐTRHBN đề xuất cũng như các mẫu động cơ kéo chuỗi nổ mềm. - Từ các mô hình toán đã xây dựng và kiểm chứng qua kết quả thực nghiệm, khảo sát ảnh hưởng của một số thông số kết cấu đến chế độ làm việc của ĐTRHBN. Nghiên cứu thực nghiệm: - Thực nghiệm kiểm chứng các thông số làm việc của buồng giữ chậm trên cơ sở đo các thông số làm việc của buồng giữ chậm nhằm kiểm chứng mô hình tính toán buồng giữ chậm. - Thực nghiệm từng tầng động cơ mẫu nhằm kiểm chứng mô hình tính toán của từng buồng đốt. Thử nghiệm phối hợp các tầng nhằm kiểm chứng mô hình tính toán cho cả động cơ. 6. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn Ý nghĩa khoa học: Hệ thống hóa, phân loại các dạng động cơ nhiều chế độ lực đẩy và động cơ hai buồng đốt làm việc nối tiếp. Cập nhật và bổ sung thêm mô hình kết cấu, mô hình lý thuyết tính toán thuật phóng động cơ hai buồng đốt làm việc nối tiếp cho lý thuyết ĐCTL. Ý nghĩa thực tiễn: Đưa ra mô hình tăng lực đẩy, tăng thời gian làm việc cho các ĐTR phục vụ việc tăng tầm tên lửa hoặc thiết kế chế tạo phối bộ vũ
5 khí mới trên nền hệ vũ khí đã có. Bằng việc ứng dụng liều nhiên liệu sẵn có (nhằm tạo ra động cơ đạt được các thông số lực đẩy theo yêu cầu) giúp rút ngắn thời gian giai đoạn nghiên cứu chế thử, đặc biệt giai đoạn thử khả năng làm việc ổn định của nhiên liệu mới. 7. Bố cục của luận án Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận án gồm bốn chương. Cụ thể là: Chương I: Tổng quan về động cơ hai buồng đốt làm việc nối tiếp và mô hình nghiên cứu Nghiên cứu tổng quan về ĐTR tạo ra nhiều chế độ lực đẩy bao gồm: khái quát về ứng dụng ĐTR tạo ra nhiều chế độ lực đẩy trong thực tế, tiếp cận các tài liệu lý thuyết về dạng ĐTR này. Phân tích đặc điểm của các phương pháp tạo nhiều chế độ lực đẩy trên ĐTR một buồng đốt, đánh giá ưu nhược điểm của các phương pháp tạo nhiều chế độ lực đẩy trên ĐTR một buồng đốt và trên ĐTRHBN. Trên cơ sở đó xác định được đối tượng nghiên cứu. Đánh giá hiện trạng của vấn đề nghiên cứu ở trong và ngoài nước, nhằm xác định yêu cầu cụ thể đối với đối tượng nghiên cứu. Tiến hành chọn lựa, mô hình kết cấu. Từ đó xác định nguyên lý làm việc, phân tích các giai đoạn làm việc của ĐTRHBN đã lựa chọn. Trong đó, đi sâu phân tích mối tương quan giữa thời gian làm việc của các buồng đốt và các chế độ lực đẩy của động cơ. Chương II: Mô hình lý thuyết các quá trình làm việc của ĐTRHBN Đưa ra các giả thiết nhằm phục vụ việc xây dựng mô hình toán. Phân tích các quá trình hóa- lý và các quá trình nhiệt, khí động xảy ra trong các buồng đốt nhằm xây dựng các phương trình vi phân mô tả các quá trình xảy ra có tính tới ảnh hưởng lẫn nhau giữa các thông số làm việc của các buồng đốt. Thiết lập hệ phương trình vi phân mô tả tổng thể quá trình làm việc của từng buồng đốt và của cả ĐTRHBN theo thời gian làm việc.
6 Đề xuất sơ đồ thuật giải bài toán tổng quát. Tiến hành giải bằng bộ tham số kết cấu ĐTRHBN đề xuất nhằm đánh giá khả năng mô tả đúng bản chất vật lý của các quá trình xảy ra trong các buồng đốt. Chương III: Nghiên cứu thực nghiệm Thực nghiệm kiểm tra độ tin cậy của mô hình lý thuyết thông qua giá trị định lượng đo đạc được là áp suất, lực đẩy và thời gian. Thực nghiệm cho từng buồng đốt nhằm kiểm tra, đánh giá thông số áp suất- thời gian bao gồm: thử nghiệm buồng giữ chậm, thử nghiệm buồng đốt thứ nhất (động cơ mẫu (ĐCM) tầng 1), thử nghiệm buồng đốt thứ hai (ĐCM tầng 2). Thử nghiệm tổng hợp trên động cơ mẫu và trên động cơ kéo vũ khí FMV-B1 nhằm kiểm tra, đánh giá thông số lực đẩy- thời gian làm việc của động cơ. Chương IV: Nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số kết cấu đến chế độ làm việc của ĐTRHBN Từ mô hình tính toán với bộ tham số đã chọn ở chương 2 (được khẳng định độ tin cậy ở chương 3) tiến hành giải bài toán với chỉ một tham số thay đổi, còn tất cả các tham số khác được giữ nguyên. Trên cơ sở đó nghiên cứu những ảnh hưởng khi thay đổi giá trị các tham số. Luận án đã chọn 4 tham số để nghiên cứu, bao gồm: chiều dài liều giữ chậm; đường kính liều giữ chậm; đường kính lỗ trích khí từ BĐ1 sang BGC; khối lượng liều mồi 2.