Một phương pháp thực nghiệm đo nhiệt độ sản phẩm cháy trong động cơ tên lửa

Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> MỘT PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM ĐO NHIỆT ĐỘ<br /> SẢN PHẨM CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ TÊN LỬA<br /> Mai Văn Tú*, Mai Khánh, Đặng Văn Hùng, Phạm Quang Minh<br /> Tóm tắt: Trong quá trình động cơ tên lửa nhiên liệu rắn làm việc, các biến đổi<br /> hóa - lý trong pha rắn dưới tác động của dòng nhiệt từ pha khí làm ảnh hưởng đến<br /> tốc độ cháy của liều nhiên liệu. Để xác định được dòng nhiệt từ pha khí truyền vào<br /> pha rắn cần phải xác định được nhiệt độ sản phẩm cháy trong buồng đốt động cơ.<br /> Bài báo trình bày một phương pháp đo nhiệt độ sản phẩm cháy trong buồng đốt<br /> động cơ tên lửa nhiên liệu rắn bằng cặp nhiệt loại S được thiết kế chế tạo theo cấu<br /> trúc hở (không có lớp vỏ bảo vệ) để tăng thời gian đáp ứng cho hệ thống đo.<br /> Từ khóa: Động cơ tên lửa (ĐTR), Nhiên liệu rắn, Nhiệt độ, Sản phẩm cháy (SPC).<br /> <br /> 1. ĐẶT VẤN ĐỀ<br /> Nghiên cứu quá trình cháy của nhiên liệu rắn đồng thể trong động cơ tên lửa [1, 2, 4, 5, 6]<br /> với mô hình nhiệt quá trình cháy một chiều của nhiên liệu được minh họa trên hình 1 [5] đã<br /> chỉ ra: Tốc độ cháy của nhiên liệu không chỉ phụ thuộc vào giá trị của các tham số nhiệt độ<br /> ban đầu của nhiên liệu T0, áp suất p và tốc độ chuyển động w của dòng sản phẩm cháy trong<br /> buồng đốt mà còn phụ thuộc vào khối lượng nhiên liệu đã phân rã và khối lượng nhiên liệu<br /> đã tham gia vào phản ứng hóa học trong pha rắn do tác dụng bởi trường nhiệt độ T trong<br /> vùng nhiên liệu bị nung nóng từ nhiệt độ ban đầu T0 đến nhiệt độ trên bề mặt cháy TS.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 1. Mô hình nhiệt quá trình cháy của nhiên liệu rắn trong buồng đốt ĐTR.<br /> Ảnh hưởng của trường nhiệt độ đến tốc độ phản ứng hóa học của nhiên liệu trong pha<br /> rắn được thể hiện qua hệ số tốc độ phản ứng K(T) được xác định theo quy luật Arrhenius<br /> dưới dạng [4]:<br />   E<br /> <br /> K( T )  k0 .e khi T  Tp<br /> R0T<br /> (1.1)<br /> <br /> 0 khi T  Tp<br /> trong đó: E - năng lượng hoạt hoá; R0 - hằng số khí tổng quát; k0 - hằng số; T - nhiệt độ của<br /> nhiên liệu trong vùng bị nung nóng; TP - nhiệt độ bắt đầu xảy ra phản ứng hóa học trong<br /> pha rắn nhiên liệu.<br /> Trường nhiệt độ T trong vùng nhiên liệu bị nung nóng phụ thuộc vào cường độ dòng<br /> nhiệt q từ pha khí truyền vào pha rắn và được xác định theo công thức Newton [2]:<br /> q  α( TG  TS ) (1.2)<br /> trong đó:  - hệ số trao đổi nhiệt tổng hợp; TG - nhiệt độ sản phẩm cháy trong pha khí;<br /> TS - nhiệt độ trên bề mặt cháy nhiên liệu.<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 40, 12 - 2015 21<br />  Tên lửa & Thiết bị bay<br /> <br /> Theo (1.2), để xác định được cường độ dòng nhiệt q từ pha khí cần phải xác định được<br /> các thông số: hệ số trao đổi nhiệt tổng hợp nhiệt , nhiệt độ sản phẩm cháy trong pha khí<br /> TG và nhiệt độ trên bề mặt cháy nhiên liệu TS.<br /> Động cơ sử dụng liều phóng liên hợp rắn hai thành phần hình 2 gồm: thỏi nhiên liệu<br /> hỗn hợp (vị trí 1) có thể cháy ổn định ở áp suất thấp [3] và thỏi nhiên liệu hữu cơ RSI-12M<br /> (vị trí 2). Trong thời gian động cơ làm việc thỏi nhiên liệu hỗn hợp cháy liên tục tạo ra<br /> nguồn nhiệt ổn định duy trì thỏi nhiên liệu hữu cơ RSI-12M cháy ổn định trong buồng đốt<br /> động cơ. Kết quả thực nghiệm [3] cho thấy thỏi nhiên liệu hữu cơ RSI-12M cháy ổn định<br /> trong điều kiện áp suất trong buồng đốt động cơ nhỏ hơn áp suất giới hạn. Điều đó cho<br /> thấy, sự tác động của dòng nhiệt từ sản phẩm cháy là yếu tố cơ bản quyết định đến quá<br /> trình cháy của thỏi nhiên liệu RSI-12M. Các số liệu thực nghiệm về tốc độ cháy của nhiên<br /> liệu RSI-12M trong [3] có sai khác nhiều so với các kết quả đã nghiên cứu trong [1, 2, 4].<br /> Vì vậy, để lý giải và xác định được chính xác hơn quy luật tốc độ cháy của thỏi nhiên liệu<br /> hữu cơ RSI-12M trong mô hình động cơ sử dụng liều phóng liên hợp hai thành phần trên<br /> đây cần thiết phải nghiên cứu đánh giá sự ảnh hưởng của dòng nhiệt từ SPC đến các quá<br /> trình nhiệt - lí - hóa trong pha rắn của nhiên liệu RSI-12M trong buồng đốt động cơ.<br /> Bài báo này giới thiệu một phương pháp thực nghiệm đo nhiệt độ sản phẩm cháy TG<br /> trong buồng đốt động cơ nhiên liệu rắn sử dụng liều phóng liên hợp hai thành phần (hình<br /> 2). Số liệu thực nghiệm là một trong các thông số đầu vào để nghiên cứu khảo sát sự ảnh<br /> hưởng của trường nhiệt độ trong pha rắn đến quy luật tốc độ cháy của nhiên liệu RSI-12M<br /> trong mô hình động cơ tên lửa sử dụng liều phóng liên hợp rắn hai thành phần.<br /> 2. XÂY DỰNG PHƯƠNG TIỆN ĐO<br /> 2.1. Cơ sở khoa học<br /> Động cơ sử dụng liều phóng liên hợp rắn hai thành phần như hình 2 là mô hình động cơ<br /> mới đang được nghiên cứu với một số thông số nhiệt động được tính toán hiệu chỉnh sơ bộ<br /> trên cơ sở các kết quả thực nghiệm trong [3] là:<br /> - Áp suất làm việc, bar: 5 đến 15;<br /> - Thời gian làm việc, giây: 8 đến 10;<br /> - Nhiệt độ sản phẩm cháy, 0C: 1000 đến 1750.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 1- Thỏi nhiên liệu hỗn hợp; 2- Thỏi nhiên liệu hữu cơ RSI-12M; 3- Vị trí gắn cặp nhiệt;<br /> 4- Khối loa phụt.<br /> Hình 2. Động cơ sử dụng liều phóng liên hợp rắn hai thành phần.<br /> Nhiệt độ là đại lượng chỉ có thể đo gián tiếp trên cơ sở tính chất của vật phụ thuộc nhiệt<br /> độ, có nhiều nguyên lý cảm biến khác nhau để chế tạo cảm biến nhiệt độ như: nhiệt điện<br /> trở, cặp nhiệt ngẫu, phương pháp quang dựa trên phân bố phổ bức xạ nhiệt, phương pháp<br /> dựa trên sự giãn nở của vật rắn, lỏng, khí hoặc dựa trên tốc độ âm [8]…Về nguyên lý và<br /> phương tiện đo nhiệt độ nói chung là những vấn đề kinh điển đã được nhiều tài liệu đề cập<br /> và sản phẩm đã được thương mại hóa với giá thành hợp lý. Tuy nhiên, với đối tượng đo là<br /> nhiệt độ SPC trong buồng đốt động cơ nhiên liệu rắn có nhiệt độ cao (từ 1000 oC đến 1750<br /> o<br /> C) và tốc độ thay đổi nhanh do thời gian làm việc của động cơ ngắn (từ 8 giây đến 10<br /> giây) thì không thể sử dụng phương pháp đo không tiếp xúc mà cần thiết phải có phương<br /> tiện đo nhiệt độ chuyên dụng.<br /> <br /> <br /> 22 M.V. Tú, M. Khánh, Đ.V. Hùng, P.Q. Minh, “Một phương pháp thực nghiệm… tên lửa.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> Để đảm bảo kết quả đo được chính xác cần thiết phải thiết kế chế tạo được cảm biến<br /> nhiệt đảm bảo các điều kiện sau:<br /> - Dải đo: đến 1750 oC;<br /> - Thời gian đáp ứng: ≈ 1 giây.<br /> 2.2. Thiết kế chế tạo cặp nhiệt đo nhiệt độ SPC<br /> Các cảm biến cặp nhiệt có thời gian đáp ứng dài hay ngắn phụ thuộc vào cấu tạo của<br /> chúng. Một số mô hình cảm biến cặp nhiệt được sử dụng hiện nay là:<br /> Trong trường hợp 1: Để đo nhiệt độ các đối tượng có nhiệt độ thay đổi chậm người ta<br /> thường dùng các cảm biến cặp nhiệt có lớp vỏ bảo vệ để cảm biến không bị hỏng trong môi<br /> trường đo như: cảm biến cặp nhiệt hình 3.a có thời gian đáp ứng từ 1 phút đến 10 phút; cảm<br /> biến cặp nhiệt hình 3.b có thời gian đáp ứng từ 15 giây đến 45 giây. Các cảm biến này không<br /> phù hợp với đối tượng đo là nhiệt độ SPC trong buồng đốt động cơ nói trên.<br /> Trong trường hợp 2: Để đo nhiệt độ các đối tượng có nhiệt độ thay đổi nhanh thì phải sử<br /> dụng cảm biến cặp nhiệt không có lớp vỏ bảo vệ như hình 3.c với thời gian đáp ứng đạt 1s<br /> đến 3s. Đây là mô hình kết cấu cảm biến cặp nhiệt được nhóm tác giả lựa chọn để thiết kế<br /> cặp nhiệt đo nhiệt độ SPC trong buồng đốt động cơ sử dụng liều phóng liên hợp trên đây.<br /> <br /> <br /> <br /> a) b) c)<br /> Hình 3. Cấu tạo cảm biến cặp nhiệt có đáp ứng thời gian khác nhau.<br /> Do nhiệt độ SPC trong buồng đốt động cơ rất cao từ 1000 oC đến 1750 oC nên theo [8]<br /> nhóm tác giả lựa chọn cảm biến cặp nhiệt kiểu S được chế tạo từ vật liệu Platinum -10%<br /> Rhodium (+) và Platinum (-) có dải đo nhiệt độ từ 0 C đến 1750 C. Theo [8] biểu thức<br /> liên hệ giữa nhiệt độ và sức điện động của cặp nhiệt loại S được tính theo (2.1).<br /> T  a0  a1 x  a2 x 2  a3 x 3  ...  an x n (2.1)<br /> o<br /> Trong đó: T- nhiệt độ ( C); a - hệ số đa thức của cặp nhiệt loại S được cho trong bảng<br /> 1; x - Sức điện động của cặp nhiệt (mV); n - Bậc cực đại của đa thức (phụ thuộc vào độ<br /> chính xác của cặp nhiệt).<br /> Bảng1. Hệ số đa thức a của cặp nhiệt S.<br /> Hệ số a a0 a1 a2 a3 a4<br /> 4 4 3 1<br /> Cặp nhiệt S 5,333875.10 -1,235892.10 1,092657.10 -4,265693.10 6,247205.10-1<br /> Các dây Platinum -10% Rhodium (+) và Platinum (-) sử dụng để<br /> chế tạo cặp nhiệt loại S có đường kính dây 0,51 mm và được hàn với<br /> nhau băng hồ quang theo phương pháp Slavianoff [7].<br /> 2.3. Xây dựng và đồng bộ hệ thống đo<br /> Cặp nhiệt S sau khi chế tạo được ghép nối đồng bộ với thiết bị đo<br /> đa năng DEWE-4000 thông qua module DAQP-THERM (hình 4).<br /> Module DAQP-THERM sẽ thực hiện tuyến tính hóa cặp nhiệt S theo<br /> biểu thức (2.1), kết quả đo được hiển thị và lưu giữ trên phần mềm<br /> DasyLab 11.0 của thiết bị DEWE-4000.<br /> Ngoài ra để đảm bảo an toàn trong quá trình thí nghiệm máy đo<br /> phải đặt cách xa trung tâm thử nghiệm (tối thiểu là 100 mét) nên dây<br /> dẫn phải nối dài ra. Như vậy, điện trở dây nối dài sẽ tăng lên đáng kể.<br /> Hình 4. Module<br /> Vì vật liệu làm cặp nhiệt có điện trở suất khá lớn và giá thành cũng<br /> DAQP-THERM.<br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 40, 12 - 2015 23<br />  Tên lửa & Thiết bị bay<br /> <br /> khá đắt nên nhóm tác giả đã sử dụng một loại vật liệu rẻ tiền và có điện trở suất thấp để<br /> làm dây nối dài. Việc này làm phát sinh điện áp nhiệt điện phụ tải tại các điểm nối. Để giải<br /> quyết vấn đề này nhóm tác giả sử dụng cặp dây bù để khử sự thay đổi nhiệt độ tại các<br /> điểm trung gian trên dây dẫn từ trung tâm thử nghiệm đến vị trí máy đo [8].<br /> 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN<br /> 3.1. Kết quả đo nhiệt độ SPC<br /> Sơ đồ và thiết bị đo trong thử nghiệm theo [3];<br /> Khi thử nghiệm đo nhiệt độ SPC cặp nhiệt S được lắp vào động cơ tại vị trí 3 (hình 2)<br /> và trong thực tế (hình 5.a). Kết quả đo nhiệt độ sản phẩm cháy và áp suất động cơ sử dụng<br /> liều phóng liên hợp hai thành phần (hình 5.b).<br /> Cặp nhiệt<br /> loại S<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> a) Cặp nhiệt S được lắp vào động cơ<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> b) Kết quả đo nhiệt độ sản phẩm cháy và áp suất động cơ<br /> Hình 5. Thực nghiệm đo nhiệt độ SPC trong buồng đốt<br /> động cơ sử dụng liều phóng liên hợp rắn hai thành phần.<br /> 3.2. Thảo luận<br /> Quan sát đồ thị nhiệt độ SPC và đồ thị áp suất làm việc của động cơ nhận thấy tại thời<br /> điểm 23 giây trên trục thời gian áp suất làm việc của động cơ đạt giá trị cực đại là 12,5 bar<br /> thì nhiệt độ SPC cũng đạt giá trị cực đại là 1243 oC. Điều này phù hợp với quy luật nhiệt<br /> động của động cơ. Kết quả thực nghiệm cho thấy tốc độ đáp ứng của hệ thống đo nhiệt độ<br /> sử dụng cặp nhiệt S được chế tạo theo phương pháp không có vỏ bọc đảm bảo các yêu cầu<br /> đo nhiệt độ SPC trong buồng đốt động cơ đã đặt ra.<br /> 4. KẾT LUẬN<br /> Từ những kết quả nghiên cứu và thực nghiệm trên có thể rút ra được một số kết luận sau:<br /> <br /> <br /> <br /> 24 M.V. Tú, M. Khánh, Đ.V. Hùng, P.Q. Minh, “Một phương pháp thực nghiệm… tên lửa.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> - Bằng cách lựa chọn cặp nhiệt phù hợp được chế tạo theo phương pháp không có vỏ<br /> bọc (hở đầu) có thể đo được nhiệt độ SPC trong buồng đốt động cơ nhiên liệu rắn có giá trị<br /> lớn và tốc độ thay đổi nhiệt độ nhanh.<br /> - Do hạn chế về mặt thời gian và kinh phí nên việc nghiên cứu thực nghiệm đo nhiệt độ<br /> SPC mới chỉ được tiến hành trên một động cơ nhưng kết quả đo đã phản ánh đúng quy luật<br /> nhiệt độ SPC trong buồng đốt động cơ và quy luật nhiệt động của động cơ. Kết quả nghiên<br /> cứu có tính ứng dụng và thực tiễn cần được tiếp tục đầu tư nghiên cứu chuyên sâu nhằm<br /> tạo ra các sản phẩm hoàn chỉnh phục vụ công tác nghiên cứu thiết kế chế tạo các loại động<br /> cơ tên lửa nhiên liệu rắn.<br /> Lời cảm ơn: Nghiên cứu này được tài trợ bởi Nhiệm vụ cấp Bộ Quốc phòng: Nghiên<br /> cứu, thiết kế, chế tạo động cơ hành trình dùng thuốc phóng keo RSI-12M.<br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> [1]. Ngô Văn Giao, “Tính chất thuốc phóng và nhiên liệu tên lửa”, Học viện Kỹ thuật<br /> quân sự (2005).<br /> [2]. Phạm Thế Phiệt, “Lý thuyết động cơ tên lửa,” Học viện KTQS (1995).<br /> [3]. Mai Văn Tú, Mai Khánh, Bùi Duy Nam, Nguyễn Ngọc Lân, “Một vài kết quả thực<br /> nghiệm kéo dài thời gian cháy của nhiên liệu rắn trong động cơ tên lửa”, TC Nghiên<br /> cứu KHCNQS, số 36 (2015), tr.40-45.<br /> [4]. Đặng Hồng Triển, Luận án tiến sĩ kỹ thuật, “Nghiên cứu xác định quy luật tốc độ<br /> cháy của nhiên liệu rắn tên lửa trên cơ sở đo đặc tuyến làm việc của động cơ mẫu”<br /> Viện Khoa học và Công nghệ quân sự (2009).<br /> [5]. Р.Е. Соркину, “Газотермодинамика ракетных двигателей на твердом<br /> топливе”, Наука. Москва (1967).<br /> [6]. Я.Б.Зельдович, О.И.Лейпунский, В.Б.Лбрович, “Теория нестационарного<br /> горения пороха”, Наука. Москва (1975).<br /> [7]. Nataiguor Premchand Mahalik, “Mechatronics”, McGraw Hill, Boston, pp.322-343,<br /> (2004).<br /> [8]. E.O. Doebelin, “Measurement systems”, McGraw-Hill Pub. Com. N Y, 1993.<br /> [9]. By P.A.Kinzie, “Thermocouple temperature measurement”, pag. 277.<br /> ABSTRACT<br /> AN EXPERIMENTAL METHOD OF MEASURING COMBUSTION PRODUCT<br /> TEMPERATURE IN SOLID-PROPELLANT ROCKET MOTOR<br /> During the working process of solid-propellant rocket motor, the physical and<br /> chemical modifications in the solid phase under the action of heat flow from the gas<br /> phase affect the burning rate of solid-propellant dose. To determine the heat flow<br /> from the gas phase to the solid phase, we must determine combustion product<br /> temperature in the motor combustion chamber. This article presents a method of<br /> measuring combustion product temperature in solid-propellant rocket motor with<br /> the type S thermocouple designed and manufactured according to the open structure<br /> (without coating) to increase the response time of the measurement system.<br /> Keywords: Rocket motor, Solid-propellant, Temperature, Combustion products (SPC).<br /> <br /> Nhận bài ngày 09 tháng 7 năm 2015<br /> Hoàn thiện ngày 22 tháng 10 năm 2015<br /> Chấp nhận đăng ngày 25 tháng 12 năm 2015<br /> Địa chỉ: Viện Tên lửa, Viện KH-CN quân sự;<br /> *<br /> Email: maivantu0101@gmail.com.<br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 40, 12 - 2015 25<br />