Tài liệu 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 CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ HOÀNG 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 CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ HOÀNG 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: 9 52 01 01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC 1. TS. Lê Song Tùng 2. PGS.TS. Trịnh Hồng Anh Hà Nội - 2018 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào 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 ....................................................................................................................1 Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC THAM SỐ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ TÊN LỬA NHIÊN LIỆU RẮN .........................................................................7 1.1. Khái quát về động cơ tên lửa nhiên liệu rắn ......................................... 7 1.1.1. Đặc điểm cấu tạo của động cơ tên lửa nhiên liệu rắn ..................... 7 1.1.2. Đặc điểm hoạt động của động cơ tên lửa nhiên liệu rắn .............. 12 1.2. Phương pháp lý thuyết xác định các tham số làm việc của động cơ tên lửa nhiên liệu rắn ................................................................................... 15 1.2.1. Trường hợp xem dòng sản phẩm cháy là không dừng, một hay nhiều chiều .............................................................................................. 16 1.2.2. Phương pháp trung bình theo thể tích ........................................... 21 1.3. Phương pháp thực nghiệm xác định các tham số làm việc của động cơ tên lửa nhiên liệu rắn ..................................................................... 23 1.4. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước ......................................... 23 1.4.1. Ngoài nước .................................................................................... 23 1.4.2. Trong nước .................................................................................... 25 1.4.3. Những tồn tại và hướng nghiên cứu của luận án .......................... 28 1.5. Kết luận chương 1 ............................................................................... 29 Chƣơng 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN 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 cơ bản ............................................................................. 31 2.2. Hệ phương trình tổng quát xác định các tham số làm việc đặc trưng của động cơ tên lửa nhiên liệu rắn hỗn hợp ...................................... 32 iii 2.3. Giải mô hình toán................................................................................ 40 2.3.1. Xây dựng các điều kiện đầu vào ................................................... 40 2.3.2. Ảnh hưởng của tính chất hai pha sản phẩm cháy nhiên liệu hỗn hợp .................................................................................................... 41 2.3.3. Ảnh hưởng của một số chi tiết kết cấu đến áp suất làm việc của động cơ ............................................................................................. 47 2.3.4. Sự thay đổi các thông số dòng sản phẩm cháy và kích thước liều nhiên liệu .......................................................................................... 50 2.3.5. Tốc độ sinh khí sản phẩm cháy của liều nhiên liệu ...................... 54 2.3.6. Xây dựng sơ đồ thuật toán ............................................................ 57 2.4. Kiểm tra độ tin cậy của mô hình lý thuyết khi áp dụng tính toán một số động cơ tên lửa điển hình ................................................................ 58 2.4.1. Tính toán xác định các tham số làm việc của động cơ tên lửa sử dụng nhiên liệu rắn hỗn hợp ............................................................... 58 2.4.2. Tính toán xác định các tham số làm việc của động cơ tên lửa sử dụng thuốc phóng balistic .................................................................. 62 2.5. Kết luận chương 2 ............................................................................... 65 Chƣơng 3. 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 các điều kiện đầu vào ......................................................... 67 3.2.1. Xác định điều kiện ban đầu........................................................... 69 3.2.2. Kết quả tính toán nhiệt động học .................................................. 70 3.3. Ảnh hưởng của tính chất hai pha sản phẩm cháy nhiên liệu hỗn hợp 71 iv 3.3.1. Ảnh hưởng của tính chất hai pha sản phẩm cháy đến lực thuốc phóng và xung lượng riêng ..................................................................... 71 3.3.2. Ảnh hưởng của tính chất hai pha sản phẩm cháy đến đường kính tiết diện tới hạn loa phụt trong thiết kế động cơ ......................................... 76 3.4. Ảnh hưởng của đường kính buồng đốt ............................................... 77 3.4.1. Ảnh hưởng của đường kính buồng đốt đến sự biến đổi hình dạng liều nhiên liệu và vận tốc dòng chảy theo thời gian và dọc trục động cơ ... 77 3.4.2. Ảnh hưởng của đường kính buồng đốt đến sự biến đổi áp suất, nhiệt độ trong buồng đốt và tốc độ sinh khí sản phẩm cháy ...................... 80 3.5. Ảnh hưởng của diện tích thoát khí đĩa chắn thuốc và ống lót trong không gian trước loa phụt động cơ ............................................................. 85 3.5.1. Ảnh hưởng của diện tích thoát khí đĩa chắn thuốc đến sự thay đổi vận tốc và áp suất dòng sản phẩm cháy hai pha qua đĩa chắn thuốc .. 85 3.5.2. Ảnh hưởng của chiều dài ống lót đến sự thay đổi áp suất dòng sản phẩm cháy hai pha trước loa phụt..................................................... 86 3.6. Kết luận chương 3 ............................................................................... 88 Chƣơng 4. 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 và đặc trưng năng lượng thuốc phóng ................................................................................................. 90 4.3. Thiết kế và chế tạo động cơ mẫu ........................................................ 93 4.4. Thử nghiệm đo các tham số làm việc đặc trưng của động cơ ............ 96 4.4.1. Đối tượng đo ................................................................................. 96 4.4.2. Kỹ thuật thực nghiệm.................................................................... 97 4.4.3. Kết quả đo ................................................................................... 101 v 4.5. Xử lý và nhận xét kết quả thử nghiệm .............................................. 105 4.5.1. Phương pháp xử lý số liệu kết quả đo bằng chương trình tính toán trên máy tính điện tử ..................................................................... 106 4.5.2. Kết quả xử lý ............................................................................... 107 4.5.3. Đánh giá sai số của phép đo........................................................ 110 4.6. Kết luận chương 4 ............................................................................. 112 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..............................................................................113 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG 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 bằng áp suất dọc theo bề mặt hạt; bT - Hệ số cháy hạt rắn trong môi trường khí; c - Nhiệt dung riêng, J/kg.K; Cχh - hệ số cản hiệu dụng chuyển động hạt rắn trong 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 của thuốc mồi, kJ/kg; h - chu vi tiết diện ngang rãnh đang xét, m; I - Entalpi, J/kg; J1 - Xung lượng riêng của thuốc phóng, m/s; j - Hệ số xuất hiện lực khối; Kw - Hệ số không cân bằng động lực học; KT - Hệ số không cân bằng 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 năng riêng, J/kg; u - Tốc độ cháy thuốc phóng, m/s; u1 - Tốc độ cháy đơn vị của 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 của động cơ; ε - Hệ số cháy xói mòn; λ - Vận tốc không thứ nguyên; λc - Hệ số ma sát; λb - Hệ số dẫn nhiệt của bạc, W/(m.K); λhh - Hệ số dẫn nhiệt của hỗn hợp, W/(m.K); μ - Độ nhớt động lực học, kg/(m.s); ξ - Tỷ lệ khối lượng pha ngưng tụ trong SPC, %; ρ - Mật độ; mật độ sản phẩm cháy, kg/m3; ηTP, η’TP - Các lực riêng tác dụng lên khí và các hạt từ thuốc phóng, N; υ - Số mũ hàm tốc độ cháy; θ2 - Hệ số tổn thất qua loa phụt 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 trong buồng đốt, kg; viii a - Tiết diện cửa ra loa phụt; BD - Buồng đốt; bd - Thời điểm ban đầu; CT - Đĩa chắn thuốc; - Đối lưu; dl ĐTR - Động cơ tên lửa nhiên liệu rắn; ĐTRHH - Động cơ tên lửa nhiên liệu rắn hỗn hợp; hh - Hỗn hợp; kh - Pha khí; LP - Loa phụt; mt - Môi trường; SPC - Sản phẩm cháy thuốc phóng; T - Pha ngưng tụ, pha rắn; TB - Trung bình; td - Không gian tự do giữa đĩa chắn thuốc và nắp sau, trong các rãnh thoát khí tự do; th - Tới hạn; TP - Thuốc phóng; XLR - Xung lượng riêng. ix DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Tính chất một số loại nhiên liệu rắn hỗn hợp [13] ......................... 11 Bảng 2.1. Thành phần cơ bản của nhiên liệu hỗn hợp HK-4 [6].................... 59 Bảng 2.2. Các thông số đầu vào của động cơ 9M39.01 ................................. 59 Bảng 2.3. Kết quả tính toán lý thuyết và thực nghiệm động cơ 9M39.01 ..... 61 Bảng 2.4. Thành phần cơ bản của nhiên liệu RSI-12M ................................. 63 Bảng 2.5. Các thông số đầu vào của động cơ tầng 1 A.E13CB.30 ................ 63 Bảng 2.6. Kết quả tính toán lý thuyết và thực nghiệm động cơ tầng 1 A.E13CB.30 ................................................................................... 64 Bảng 3.1. Thành phần cơ bản của nhiên liệu hỗn hợp SD-17/18M (nhiên liệu X35E) ...................................................................................... 68 Bảng 3.2. Các thông số đầu vào của động cơ mẫu ......................................... 68 Bảng 3.3. Kết quả tính toán nhiệt động học nhiên liệu hỗn hợp SD17/18M .......................................................................................... 70 Bảng 3.4. Giá trị các thông số đặc trưng ở áp suất tính toán 8,2.106 Pa ........ 74 Bảng 3.5. Các tham số làm việc chính của động cơ ....................................... 84 Bảng 4.1. Kết quả phân tích hàm lượng các thành phần chính của thuốc phóng ............................................................................................. 91 Bảng 4.2. Kết quả đo nhiệt lượng và tốc độ cháy của thuốc phóng ............... 93 Bảng 4.3. Kết quả tính toán lý thuyết động cơ mẫu với DBD = 0,045 m ........ 94 Bảng 4.4. Kết quả tính toán lý thuyết động cơ mẫu với Dth = 0,020 m ......... 94 Bảng 4.5. Các thông số cơ bản của cảm biến đo áp suất DA-10-08 .............. 98 Bảng 4.6. Kết quả đo động cơ ở điều kiện thường sau xử lý đồ thị ............. 109 Bảng 4.7. Áp suất làm việc trong buồng đốt động cơ với DBD = 0,045 m và đường kính tới hạn loa phụt thay đổi ..................................... 111 Bảng 4.8. Áp suất làm việc trong buồng đốt động cơ với Dth = 0,02 m và đường kính buồng đốt thay đổi ................................................... 111 x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của ĐTR .................................................... 7 Hình 1.2. Một số dạng sơ đồ nguyên lý cấu tạo ĐTR ...................................... 8 Hình 1.3. Một số kết cấu ĐTR điển hình ......................................................... 9 Hình 1.4. Sơ đồ kết cấu một số loại liều nhiên liệu rắn điển hình ................. 10 Hình 1.5. Một số dạng đĩa chắn thuốc điển hình được sử dụng trong ĐTR .. 12 Hình 1.6. Hình dạng cháy liều nhiên liệu khi có hiệu ứng cháy xói mòn ...... 14 Hình 1.7. Mô hình buồng đốt của Ходырев .................................................. 24 Hình 2.1. Mô hình tính toán buồng đốt ĐTR sử dụng thỏi thuốc hỗn hợp hình trụ bọc chống cháy 2 đáy ...................................................... 40 Hình 2.2. Dòng sản phẩm cháy đi qua đĩa chắn thuốc ................................... 47 Hình 2.3. Sơ đồ chuyển động của khí trong ống bị nung nóng ...................... 48 Hình 2.4. Đặc trưng biến đổi của các hàm khí động ...................................... 48 Hình 2.5. Sự biến đổi vận tốc dòng khí trong rãnh liều nhiên liệu ................ 51 Hình 2.6. Sự biến đổi áp suất trong các rãnh liều nhiên liệu ......................... 53 Hình 2.7. Sơ đồ thuật toán xác định các tham số làm việc của ĐTRHH ....... 57 Hình 2.8. Thỏi nhiên liệu 9X195 của động cơ 9M39.01 ............................... 60 Hình 2.9. Đồ thị tính toán áp suất làm việc trong buồng đốt động cơ 9M39.01 ........................................................................................ 61 Hình 2.10. Đồ thị đo đường đặc tuyến áp suất làm việc trong buồng đốt động cơ 9M39.01 [6] ..................................................................... 61 Hình 2.11. Đồ thị tính toán áp suất làm việc trong buồng đốt động cơ tầng 1 A.E13CB.30 ....................................................................... 64 Hình 2.12. Đồ thị đo đường đặc tuyến áp suất làm việc trong buồng đốt động cơ tầng 1 A.E13CB.30 [2] .................................................... 64 Hình 3.1. Liều nhiên liệu hỗn hợp.................................................................. 68 xi Hình 3.2. Phụ thuộc của hệ số χT vào sự không cân bằng nhiệt và động học ................................................................................................. 72 Hình 3.3. Phụ thuộc của lực thuốc phóng RT vào Kw và KT ......................... 72 Hình 3.4. Sự phụ thuộc của xung lượng riêng vào các hệ số quán tính Kw, KT................................................................................................... 73 Hình 3.5. Mối liên hệ giữa các hệ số Kw và KT .............................................. 74 Hình 3.6. Phụ thuộc của các hệ số không cân bằng vào áp suất .................... 75 Hình 3.7. Phụ thuộc của hệ số χT vào áp suất................................................. 76 Hình 3.8. Phụ thuộc của đường kính tiết diện tới hạn loa phụt vào Kw và KT................................................................................................... 76 Hình 3.9. Phụ thuộc của đường kính tới hạn Dth vào áp suất ......................... 77 Hình 3.10. Sự biến đổi hình dạng liều nhiên liệu với Dth = 0,020 m; DBD = 0,045 m........................................................................................... 78 Hình 3.11. Sự biến đổi vận tốc dòng SPC trong các rãnh liều nhiên liệu ...... 79 Hình 3.12. Sự biến đổi áp suất dòng SPC trong các rãnh liều nhiên liệu ...... 81 Hình 3.13. Sự biến thiên nhiệt độ trong buồng đốt với DBD = 0,045 m ......... 82 Hình 3.14. Sự biến thiên tốc độ sinh khí SPC của liều nhiên liệu với DBD = 0,045 m .......................................................................................... 82 Hình 3.15. Sự biến thiên áp suất tại cửa vào loa phụt và vị trí đầu động cơ.. 83 Hình 3.16. Tỷ lệ diện tích thoát khí giữa các rãnh liều nhiên liệu và ĐCT ....... 86 Hình 3.17. Sự thay đổi vận tốc dòng SPC hai pha qua đĩa chắn thuốc .......... 86 Hình 3.18. Sự thay đổi áp suất dòng SPC hai pha qua đĩa chắn thuốc .......... 86 Hình 3.19. Tỷ lệ % giảm áp suất dòng SPC hai pha qua đĩa chắn thuốc ....... 86 Hình 3.20. Độ tăng áp suất dòng SPC hai pha qua ống lót theo thời gian ..... 87 Hình 4.1. Thiết bị đo nhiệt lượng Calorimeter PARR 1261 .......................... 92 Hình 4.2. Thiết kế động cơ mẫu ..................................................................... 95 Hình 4.3. Sản phẩm động cơ mẫu .................................................................. 95 xii Hình 4.4. Các chi tiết cấu thành động cơ mẫu ............................................... 96 Hình 4.5. Sơ đồ lắp động cơ trên giá đo ......................................................... 96 Hình 4.6. Thực nghiệm đo áp suất động cơ mẫu trên giá đo đứng ................ 97 Hình 4.7. Cảm biến đo áp suất động cơ tên lửa DA-10-08 ............................ 98 Hình 4.8. Hệ thống đo đa năng DEWE-4000 ................................................. 99 Hình 4.9. Hệ thống đo đa năng DEWE 4000 triển khai tại thực địa.............. 99 Hình 4.10. Modul DAQN - BRIDGE............................................................. 99 Hình 4.11. Cấu trúc hệ thống đo áp suất, lực đẩy động cơ tên lửa .............. 100 Hình 4.12. Sơ đồ bố trí các thiết bị đo trên trường thử ................................ 101 Hình 4.13. Biểu đồ đo áp suất động cơ với Dth = 0,018 m, DBD = 0,045 m. 102 Hình 4.14. Biểu đồ đo áp suất động cơ với Dth = 0,020 m, DBD = 0,045 m. 103 Hình 4.15. Biểu đồ đo áp suất động cơ với Dth = 0,022 m, DBD = 0,045 m. 103 Hình 4.16. Biểu đồ đo áp suất động cơ với Dth = 0,020 m, DBD = 0,036 m. 104 Hình 4.17. Biểu đồ đo áp suất động cơ với Dth = 0,020 m, DBD = 0,038 m. 104 Hình 4.18. Biểu đồ đo áp suất động cơ với Dth = 0,020 m, DBD = 0,040 m. 105 Hình 4.19. Phương pháp xử lý đồ thị đường cong áp suất ........................... 106 Hình 4.20. Hàm số hóa đồ thị đường cong áp suất ...................................... 107 Hình 4.21. Ví dụ xử lý đồ thị đường cong áp suất ....................................... 109 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Buồng đốt động cơ tên lửa nhiên liệu rắn (ĐTR) là nơi diễn ra quá trình cháy liều nhiên liệu, các quá trình phản ứng hóa học giữa các pha rắn-lỏngkhí và cũng là nơi diễn ra quá trình biến đổi nhiệt năng cháy nhiên liệu thành động năng của dòng chảy sản phẩm cháy (SPC). Hỗn hợp sản phẩm cháy được sinh ra trong buồng đốt có nhiệt độ và áp suất cao tùy thuộc vào chủng loại nhiên liệu sử dụng và yêu cầu về chế độ làm việc của động cơ. Thông thường nhiệt độ trong buồng đốt từ 2000 K đến 4000 K, áp suất từ 2 MPa đến hơn 10 MPa. Từ đặc điểm cấu tạo của buồng đốt, dòng SPC nhiều pha (đối với nhiên liệu rắn hỗn hợp) chuyển động theo các tiết diện thay đổi, đặc biệt là khi chuyển động bên trong loa phụt. Vận tốc dòng thay đổi từ vận tốc dòng tĩnh đến vận tốc vượt âm thanh (đạt vài nghìn m/s) khi đi qua tiết diện cửa ra của loa phụt. Khi đó các yếu tố như nhiệt độ cao, kích cỡ hạt SPC, tốc độ chuyển động và mật độ lớn của dòng tác dụng trực tiếp lên thành buồng đốt. Hiểu rõ và nắm vững các tính chất của SPC cũng như các yếu tố kết cấu, hỏa thuật ảnh hưởng đến quá trình làm việc của ĐTR sẽ là cơ sở để xây dựng các thiết kế kỹ thuật, các giải pháp công nghệ chế tạo phù hợp hay đề xuất cải tiến nâng cao tính năng làm việc của các loại ĐTR, đáp ứng các yêu cầu kỹ-chiến thuật đề ra của nhiệm vụ chế tạo vũ khí tên lửa trong tình hình mới. Do vậy, tính toán, thiết kế buồng đốt là một bước rất quan trọng khi tiến hành nghiên cứu, chế tạo động cơ. Ở nước ta hiện nay, tính toán thiết kế buồng đốt và chế tạo ĐTR được thực hiện dựa vào các lý thuyết cơ bản trong các tài liệu thông dụng cho các kết quả có độ chính xác chưa cao do các mô hình toán được áp dụng chưa phản ánh đầy đủ bản chất quá trình làm việc của ĐTR, do đó phải tiến hành thử nghiệm nhiều lần. Đặc biệt, trong xu thế hiện nay, nhiên liệu hỗn hợp 2 được sử dụng rộng rãi trong công nghệ ĐTR do có năng lượng cao, cháy ổn định ở nhiều điều kiện nhiệt độ và áp suất khác nhau. Tuy nhiên, SPC của nhiên liệu hỗn hợp có tỷ lệ hạt rắn lớn, có nhiệt độ và vận tốc cao gây ra xói mòn các chi tiết trong buồng đốt và tổn thất về năng lượng làm thay đổi các tham số làm việc của ĐTR. Điều này đặt ra yêu cầu cần thiết phải nghiên cứu tính chất của dòng chảy SPC để tìm kiếm phương pháp bảo vệ kết cấu cũng như cần nghiên cứu tính hợp lý của kết cấu để hạn chế các hao tổn năng lượng cho dòng chảy ảnh hưởng đến các tham số làm việc của ĐTR. Nâng cao hiệu suất động cơ là nhiệm vụ chủ yếu trong lĩnh vực nghiên cứu ĐTR. Ngoài tìm kiếm các loại thuốc phóng có năng lượng, tốc độ sinh khí cũng như tốc độ cháy cao thì việc phân tích ảnh hưởng của kết cấu buồng đốt, sự có mặt của các hạt rắn trong SPC để tìm ra một phương pháp xác định chính xác hơn các tham số làm việc đặc trưng của động cơ cũng là một hướng đi cơ bản và có ý nghĩa lớn trong kỹ thuật tên lửa. Bài toán 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 cho phép xây dựng cơ sở lý thuyết tính toán phục vụ quá trình thiết kế, lựa chọn được chính xác các tham số làm việc đặc trưng và qua đó đề xuất phương án kết cấu động cơ phù hợp với từng loại liều nhiên liệu. Giải quyết được vấn đề này sẽ cho phép giảm tối đa số lượng động cơ thử nghiệm trong các dự án thiết kế mới cũng như cải tiến các loại động cơ tên lửa nhiên liệu rắn. Do đó, đề tài luận án “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” là thực sự cần thiết, có tính khoa học và có ý nghĩa thực tiễn. 2. Mục đích nghiên cứu - Chính xác hóa phương pháp xác định các tham số làm việc đặc trưng của động cơ tên lửa sử dụng nhiên liệu rắn hỗn hợp. 3 - Đề xuất chọn lựa hợp lý giá trị một số tham số kết cấu đảm bảo tính bền cho vỏ buồng đốt, liều nhiên liệu… trong thiết kế và thử nghiệm ĐTR. 3. Nội dung nghiên cứu - Về nghiên cứu lý thuyết: + Nghiên cứu tổng quan về các dạng kết cấu cơ bản của ĐTR và một số phương pháp lý thuyết, phương pháp thực nghiệm xác định các tham số làm việc đặc trưng của động cơ tên lửa nhiên liệu rắn. + Xây dựng mô hình toán xác định các tham số làm việc của ĐTR sử dụng nhiên liệu rắn hỗn hợp (ĐTRHH) có tính đến ảnh hưởng của hiện tượng cháy xói mòn và tính chất dòng chảy hai pha trong loa phụt. + Khảo sát ảnh hưởng của một số tham số buồng đốt như tính chất hai pha SPC, đường kính buồng đốt, diện tích thoát khí đĩa chắn thuốc và ống lót đến chuyển động dòng SPC và các tham số làm việc của ĐTRHH. - Về thực nghiệm: + Thực nghiệm đo các tham số làm việc đặc trưng của động cơ mẫu sử dụng nhiên liệu rắn hỗn hợp với một số kết cấu thay đổi. + Đánh giá tính chính xác của mô hình tính toán đã xây dựng trên cơ sở số liệu thực nghiệm và tính toán lý thuyết. 4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu của luận án là động cơ tên lửa sử dụng nhiên liệu rắn hỗn hợp. - Phạm vi nghiên cứu của luận án: nghiên cứu chuyển động của dòng SPC hai pha trong các rãnh liều nhiên liệu, qua đĩa chắn thuốc, ống lót và quá trình chuyển hóa năng lượng của SPC hai pha diễn ra trong loa phụt ĐTRHH. 5. Phƣơng pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm. 4 Nghiên cứu lý thuyết: - Trên cơ sở nghiên cứu tổng quan về kết cấu ĐTR, phân tích các dạng dòng chảy của SPC trong buồng đốt, xây dựng và lựa chọn mô hình ĐTRHH làm đối tượng nghiên cứu của luận án. Từ đó xây dựng mô hình toán nhiệtđộng lực học mô tả trạng thái chuyển động của dòng SPC hai pha trong kết cấu buồng đốt cụ thể. - Từ mô hình nhận được thiết lập và giải hệ các phương trình vi phân bằng các phương pháp số xác định bộ thông số vận tốc dòng SPC, áp suất làm việc của động cơ theo thời gian và không gian. - Sử dụng các phần mềm tính toán hiện đại để tính toán và khảo sát chuyển động dòng chảy sản phẩm cháy đối với một số phương án kết cấu buồng đốt lựa chọn. Nghiên cứu thực nghiệm: - Trên cơ sở kết quả tính toán lý thuyết, thiết kế, chế tạo và thử nghiệm động cơ mẫu sử dụng liều nhiên liệu hỗn hợp. - Phân tích, so sánh, kiểm chứng độ tin cậy, sự đúng đắn của mô hình toán nhiệt-động lực học đã xây dựng theo các kết quả thực nghiệm. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Ý nghĩa khoa học của luận án: Xây dựng được một phương pháp xác định các tham số làm việc của ĐTRHH có tính đến ảnh hưởng của tính chất dòng chảy sản phẩm cháy hai pha và hiệu ứng cháy xói mòn dựa trên lý thuyết nhiệt-động lực học dòng chảy kết hợp các định luật bảo toàn khối lượng, động lượng và năng lượng. Ngoài ra, trong mô hình nghiên cứu của luận án bổ sung các yếu tố hạt và khí cho phép biểu diễn các quá trình diễn ra bên trong buồng đốt gần với bản chất hoạt động của ĐTRHH. Tính thực tiễn của luận án: Kết quả nghiên cứu của luận án có thể ứng dụng trong triển khai các đề tài, các vấn đề khoa học nghiên cứu ở giai đoạn 5 ban đầu, giai đoạn tiền thiết kế, cho phép các nhà thiết kế động cơ có thể lựa chọn tham số kết cấu buồng đốt ĐTR hợp lý trước khi đưa vào chế tạo và thử nghiệm. Mặt khác nhiên liệu rắn hỗn hợp là loại nhiên liệu có năng lượng cao nằm trong xu hướng sử dụng ưu tiên của các quốc gia trên thế giới hiện nay nên việc nghiên cứu ĐTR sử dụng nhiên liệu hỗn hợp là bước đi đón đầu cần thiết mà trong nước ta chưa ai nghiên cứu. Ngoài ra, kết quả của luận án là cơ sở khoa học cho việc lựa chọn các giải pháp công nghệ vật liệu cũng như công nghệ gia công các chi tiết kết cấu trong buồng đốt ĐTR. Nội dung của luận án có thể dùng làm tài liệu tham khảo và nghiên cứu giảng dạy. Tính khả thi của luận án: Hiện nay ở nước ta chưa có công nghệ sản xuất nhiên liệu rắn hỗn hợp hoàn chỉnh. Đề tài cấp Bộ quốc phòng thuộc Đề án KC-I của Viện Thuốc phóng thuốc nổ đã chế tạo thành công liều nhiên liệu hỗn hợp 9X195 nhưng nguyên liệu đầu vào một phần phải nhập từ nước ngoài và sản xuất theo dây chuyền công nghệ được chuyển giao từ đối tác Nga, do vậy mới chỉ dừng lại ở mức độ sản xuất theo mẫu mà chưa thể chế tạo được những loại thuốc hỗn hợp mới. Năm 2013, Viện KH-CN Quân sự mở nhóm đề tài khai thác hệ thống tên lửa Kh35-E trong đó có động cơ 78DT là điều kiện thuận lợi cho nghiên cứu sinh tiếp cận loại nhiên liệu hỗn hợp SD17/18 của động cơ phóng 78DT. Các mẫu thuốc phóng SD17/18 khai thác được có thể sử dụng cho ĐTR là đối tượng nghiên cứu và thử nghiệm của luận án, nên việc xây dựng nội dung nghiên cứu lý thuyết cũng như kiểm chứng bằng thực nghiệm là hoàn toàn khả thi. Mặt khác, để giải quyết tốt các vấn đề tính toán và thực nghiệm, nghiên cứu sinh sử dụng các phần mềm, công cụ toán học và các thiết bị hiện đại để thiết lập, giải và đo các thông số động cơ cho kết quả chính xác và tin cậy. Với các luận giải đưa ra ở trên việc thực hiện thành công luận án của nghiên cứu sinh là hoàn toàn có cơ sở và có tính khả thi cao. 6 7. Bố cục của luận án Luận án gồm phần mở đầu, 4 chương và phần kết luận: - Chương 1: Trình bày tổng quan về cấu tạo và hoạt động của động cơ tên lửa nhiên liệu rắn; Trình bày các phương pháp lý thuyết, thực nghiệm xác định các tham số làm việc của động cơ tên lửa nhiên liệu rắn; Tổng hợp, phân tích tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về các vấn đề nghiên cứu liên quan đến luận án, từ đó đưa ra hướng nghiên cứu của luận án. - Chương 2: Tiến hành xây dựng mô hình toán xác định các tham số làm việc đặc trưng của động cơ tên lửa nhiên liệu rắn hỗn hợp có tính đến ảnh hưởng của tính chất hai pha sản phẩm cháy, ảnh hưởng của một số chi tiết kết cấu và hiệu ứng cháy xói mòn. Đồng thời, mô hình toán cũng được kiểm chứng độ tin cậy khi áp dụng tính toán đối với động cơ tên lửa sử dụng nhiên liệu rắn hỗn hợp (động cơ hành trình Igla) và động cơ tên lửa sử dụng thuốc phóng balistic (động cơ tầng 1 FMVB1). - Chương 3: Tiến hành xây dựng mô hình động cơ thực nghiệm và khảo sát ảnh hưởng của một số tham số buồng đốt như tính chất hai pha sản phẩm cháy, đường kính buồng đốt, diện tích thoát khí đĩa chắn thuốc và chiều dài ống lót đến các tham số làm việc đặc trưng của động cơ. - Chương 4: Thiết kế, chế tạo động cơ mẫu và tiến hành thực nghiệm xác định các tham số làm việc đặc trưng của động cơ mẫu. Xử lý kết quả đo, phân tích, đánh giá, so sánh kết quả thực nghiệm với kết quả tính toán lý thuyết.