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

Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 40, 12 - 2015 21 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 quá trình động cơ tên lửa nhiên liệu rắn làm việc, các biến đổi hóa - lý trong pha rắn dưới tác động của dòng nhiệt từ pha khí làm ảnh hưởng đến tốc độ cháy của liều nhiên liệu. Để xác định được dòng nhiệt từ pha khí truyền vào pha rắn cần phải xác định được nhiệt độ sản phẩm cháy trong buồng đốt động cơ. Bài báo trình bày một phương pháp đo nhiệt độ sản phẩm cháy trong buồng đốt động cơ tên lửa nhiên liệu rắn bằng cặp nhiệt loại S được 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 cơ tên lửa (ĐTR), Nhiên liệu rắn, Nhiệt độ, Sản phẩm cháy (SPC). 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Nghiên cứu quá trình cháy của nhiên liệu rắn đồng thể trong động cơ tên lửa [1, 2, 4, 5, 6] với mô hình nhiệt quá trình cháy một chiều của nhiên liệu được minh họa trên hình 1 [5] đã chỉ ra: Tốc độ cháy của nhiên liệu không chỉ phụ thuộc vào giá trị của các tham số nhiệt độ ban đầu của nhiên liệu T0, áp suất p và tốc độ chuyển động w của dòng sản phẩm cháy trong buồng đốt mà còn phụ thuộc vào khối lượng nhiên liệu đã phân rã và khối lượng nhiên liệu đã tham gia vào phản ứng hóa học trong pha rắn do tác dụng bởi trường nhiệt độ T trong vùng nhiên liệu bị nung nóng từ nhiệt độ ban đầu T0 đến nhiệt độ trên bề mặt cháy TS. Hình 1. Mô hình nhiệt quá trình cháy của nhiên liệu rắn trong buồng đốt ĐTR. Ảnh hưởng của trường nhiệt độ đến tốc độ phản ứng hóa học của nhiên liệu trong pha rắn được thể hiện qua hệ số tốc độ phản ứng K(T) được xác định theo quy luật Arrhenius dưới dạng [4]: 0 E R T 0 p p k .e khi T TK(T ) 0 khi T T     (1.1) trong đó: E - năng lượng hoạt hoá; R0 - hằng số khí tổng quát; k0 - hằng số; T - nhiệt độ của nhiên liệu trong vùng bị nung nóng; TP - nhiệt độ bắt đầu xảy ra phản ứng hóa học trong pha rắn nhiên liệu. Trường nhiệt độ T trong vùng nhiên liệu bị nung nóng phụ thuộc vào cường độ dòng nhiệt q từ pha khí truyền vào pha rắn và được xác định theo công thức Newton [2]: G Sq α(T T )  (1.2) trong đó:  - hệ số trao đổi nhiệt tổng hợp; TG - nhiệt độ sản phẩm cháy trong pha khí; TS - nhiệt độ trên bề mặt cháy nhiên liệu. Tên lửa & Thiết bị bay M.V. Tú, M. Khánh, Đ.V. Hùng, P.Q. Minh, “Một phương pháp thực nghiệm tên lửa.” 22 Theo (1.2), để xác định được cường độ dòng nhiệt q từ pha khí cần phải xác định được các thông số: hệ số trao đổi nhiệt tổng hợp nhiệt , nhiệt độ sản phẩm cháy trong pha khí TG và nhiệt độ trên bề mặt cháy nhiên liệu TS. Động cơ sử dụng liều phóng liên hợp rắn hai thành phần hình 2 gồm: thỏi nhiên liệu hỗn hợp (vị trí 1) có thể cháy ổn định ở áp suất thấp [3] và thỏi nhiên liệu hữu cơ RSI-12M (vị trí 2). Trong thời gian động cơ làm việc thỏi nhiên liệu hỗn hợp cháy liên tục tạo ra nguồn nhiệt ổn định duy trì thỏi nhiên liệu hữu cơ RSI-12M cháy ổn định trong buồng đốt động cơ. Kết quả thực nghiệm [3] cho thấy thỏi nhiên liệu hữu cơ RSI-12M cháy ổn định trong điều kiện áp suất trong buồng đốt động cơ nhỏ hơn áp suất giới hạn. Điều đó cho thấy, sự tác động của dòng nhiệt từ sản phẩm cháy là yếu tố cơ bản quyết định đến quá trình cháy của thỏi nhiên liệu RSI-12M. Các số liệu thực nghiệm về tốc độ cháy của nhiên liệu RSI-12M trong [3] có sai khác nhiều so với các kết quả đã nghiên cứu trong [1, 2, 4]. 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 thiết phải nghiên cứu đánh giá sự ảnh hưởng của dòng nhiệt từ SPC đến các quá trình nhiệt - lí - hóa trong pha rắn của nhiên liệu RSI-12M trong buồng đốt động cơ. Bài báo này giới thiệu một phương pháp thực nghiệm đo nhiệt độ sản phẩm cháy TG trong buồng đốt động cơ nhiên liệu rắn sử dụng liều phóng liên hợp hai thành phần (hình 2). Số liệu thực nghiệm là một trong các thông số đầu vào để nghiên cứu khảo sát sự ảnh hưởng của trường nhiệt độ trong pha rắn đến quy luật tốc độ cháy của nhiên liệu RSI-12M trong mô hình động cơ 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 cơ sử dụng liều phóng liên hợp rắn hai thành phần như hình 2 là mô hình động cơ mới đang được nghiên cứu với một số thông số nhiệt động được tính toán hiệu chỉnh sơ bộ trên cơ sở các kết quả thực nghiệm trong [3] là: - Áp suất làm việc, bar: 5 đến 15; - Thời gian làm việc, giây: 8 đến 10; - Nhiệt độ sản phẩm cháy, 0C: 1000 đến 1750. 1- Thỏi nhiên liệu hỗn hợp; 2- Thỏi nhiên liệu hữu cơ RSI-12M; 3- Vị trí gắn cặp nhiệt; 4- Khối loa phụt. Hình 2. Động cơ sử dụng liều phóng liên hợp rắn hai thành phần. Nhiệt độ là đại lượng chỉ có thể đo gián tiếp trên cơ sở tính chất của vật phụ thuộc nhiệt độ, có nhiều nguyên lý cảm biến khác nhau để chế tạo cảm biến nhiệt độ như: nhiệt điện trở, cặp nhiệt ngẫu, phương pháp quang dựa trên phân bố phổ bức xạ nhiệt, phương pháp dựa trên sự giãn nở của vật rắn, lỏng, khí hoặc dựa trên tốc độ âm [8]Về nguyên lý và phương tiện đo nhiệt độ nói chung là những vấn đề kinh điển đã được nhiều tài liệu đề cập và sản phẩm đã được thương mại hóa với giá thành hợp lý. Tuy nhiên, với đối tượng đo là nhiệt độ SPC trong buồng đốt động cơ nhiên liệu rắn có nhiệt độ cao (từ 1000 oC đến 1750 oC) và tốc độ thay đổi nhanh do thời gian làm việc của động cơ ngắn (từ 8 giây đến 10 giây) thì không thể sử dụng phương pháp đo không tiếp xúc mà cần thiết phải có phương tiện đo nhiệt độ chuyên dụng. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 40, 12 - 2015 23 Hình 4. Module DAQP-THERM. Để đảm bảo kết quả đo được chính xác cần thiết phải thiết kế chế tạo được cảm biến nhiệt đảm bảo các điều kiện sau: - Dải đo: đến 1750 oC; - Thời gian đáp ứng: ≈ 1 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 của chúng. Một số mô hình cảm biến cặp nhiệt được sử dụng hiện nay là: Trong trường hợp 1: Để đo nhiệt độ các đối tượng có nhiệt độ thay đổi chậm người ta thường dùng các cảm biến cặp nhiệt có lớp vỏ bảo vệ để cảm biến không bị hỏng trong môi trường đo như: cảm biến cặp nhiệt hình 3.a có thời gian đáp ứng từ 1 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 này không phù hợp với đối tượng đo là nhiệt độ SPC trong buồng đốt động cơ nói trên. Trong trường hợp 2: Để đo nhiệt độ các đối tượng có nhiệt độ thay đổi nhanh thì phải sử dụng cảm biến cặp nhiệt không có lớp vỏ bảo vệ như hình 3.c với thời gian đáp ứng đạt 1s đến 3s. Đây là mô hình kết cấu cảm biến cặp nhiệt được nhóm tác giả lựa chọn để thiết kế cặp nhiệt đo nhiệt độ SPC trong buồng đốt động cơ sử dụng liều phóng liên hợp trên đây. Hình 3. Cấu tạo cảm biến cặp nhiệt có đáp ứng thời gian khác nhau. Do nhiệt độ SPC trong buồng đốt động cơ rất cao từ 1000 oC đến 1750 oC nên theo [8] nhóm tác giả lựa chọn cảm biến cặp nhiệt kiểu S được chế tạo từ vật liệu Platinum -10% Rhodium (+) và Platinum (-) có dải đo nhiệt độ từ 0 C đến 1750 C. Theo [8] biểu thức liên hệ giữa nhiệt độ và sức điện động của cặp nhiệt loại S được tính theo (2.1). 2 3 n 0 1 2 3 nT a a x a x a x ... a x      (2.1) Trong đó: T- nhiệt độ (oC); a - hệ số đa thức của cặp nhiệt loại S được cho trong bảng 1; x - Sức điện động của cặp nhiệt (mV); n - Bậc cực đại của đa thức (phụ thuộc vào độ chính xác của cặp nhiệt). Bảng1. Hệ số đa thức a của 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 (+) và Platinum (-) sử dụng để chế tạo cặp nhiệt loại S có đường kính dây 0,51 mm và được hàn với nhau băng hồ quang theo phương pháp Slavianoff [7]. 2.3. Xây dựng và đồng bộ hệ thống đo Cặp nhiệt S sau khi chế tạo được ghép nối đồng bộ với thiết bị đo đa năng DEWE-4000 thông qua module DAQP-THERM (hình 4). Module DAQP-THERM sẽ thực hiện tuyến tính hóa cặp nhiệt S theo biểu thức (2.1), kết quả đo được hiển thị và lưu giữ trên phần mềm DasyLab 11.0 của thiết bị DEWE-4000. Ngoài ra để đảm bảo an toàn trong quá trình thí nghiệm máy đo phải đặt cách xa trung tâm thử nghiệm (tối thiểu là 100 mét) nên dây dẫn phải nối dài ra. Như vậy, điện trở dây nối dài sẽ tăng lên đáng kể. Vì vật liệu làm cặp nhiệt có điện trở suất khá lớn và giá thành cũng a) b) c) Tên lửa & Thiết bị bay M.V. Tú, M. Khánh, Đ.V. Hùng, P.Q. Minh, “Một phương pháp thực nghiệm tên lửa.” 24 khá đắt nên nhóm tác giả đã sử dụng một loại vật liệu rẻ tiền và có điện trở suất thấp để làm dây nối dài. Việc này làm phát sinh điện áp nhiệt điện phụ tải tại các điểm nối. Để giải quyết vấn đề này nhóm tác giả sử dụng cặp dây bù để khử sự thay đổi nhiệt độ tại các điểm trung gian trên dây dẫn từ trung tâm thử nghiệm đến vị trí máy đo [8]. 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Kết quả đo nhiệt độ SPC Sơ đồ và thiết bị đo trong thử nghiệm theo [3]; Khi thử nghiệm đo nhiệt độ SPC cặp nhiệt S được lắp vào động cơ tại vị trí 3 (hình 2) và trong thực tế (hình 5.a). Kết quả đo nhiệt độ sản phẩm cháy và áp suất động cơ sử dụng liều phóng liên hợp hai thành phần (hình 5.b). a) Cặp nhiệt S được lắp vào động cơ b) Kết quả đo nhiệt độ sản phẩm cháy và áp suất động cơ Hình 5. Thực nghiệm đo nhiệt độ SPC trong buồng đốt động cơ sử dụng liều phóng liên hợp rắn hai thành phần. 3.2. Thảo luận Quan sát đồ thị nhiệt độ SPC và đồ thị áp suất làm việc của động cơ nhận thấy tại thời điểm 23 giây trên trục thời gian áp suất làm việc của động cơ đạt giá trị cực đại là 12,5 bar thì nhiệt độ SPC cũng đạt giá trị cực đại là 1243 oC. Điều này phù hợp với quy luật nhiệt động của động cơ. Kết quả thực nghiệm cho thấy tốc độ đáp ứng của hệ thống đo nhiệt độ sử dụng cặp nhiệt S được chế tạo theo phương pháp không có vỏ bọc đảm bảo các yêu cầu đo nhiệt độ SPC trong buồng đốt động cơ đã đặt ra. 4. KẾT LUẬN Từ những kết quả nghiên cứu và thực nghiệm trên có thể rút ra được một số kết luận sau: Cặp nhiệt loại S Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 40, 12 - 2015 25 - Bằng cách lựa chọn cặp nhiệt phù hợp được chế tạo theo phương pháp không có vỏ bọc (hở đầu) có thể đo được nhiệt độ SPC trong buồng đốt động cơ nhiên liệu rắn có giá trị lớn và tốc độ thay đổi nhiệt độ nhanh. - Do hạn chế về mặt thời gian và kinh phí nên việc nghiên cứu thực nghiệm đo nhiệt độ SPC mới chỉ được tiến hành trên một động cơ nhưng kết quả đo đã phản ánh đúng quy luật nhiệt độ SPC trong buồng đốt động cơ và quy luật nhiệt động của động cơ. Kết quả nghiên cứu có tính ứng dụng và thực tiễn cần được tiếp tục đầu tư nghiên cứu chuyên sâu nhằm tạo ra các sản phẩm hoàn chỉnh phục vụ công tác nghiên cứu thiết kế chế tạo các loại động cơ tên lửa nhiên liệu rắn. Lời cảm ơn: Nghiên cứu này được tài trợ bởi Nhiệm vụ cấp Bộ Quốc phòng: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo động cơ hành trình dùng thuốc phóng keo RSI-12M. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Ngô Văn Giao, “Tính chất thuốc phóng và nhiên liệu tên lửa”, Học viện Kỹ thuật quân sự (2005). [2]. Phạm Thế Phiệt, “Lý thuyết động cơ tên lửa,” Học viện KTQS (1995). [3]. Mai Văn Tú, Mai Khánh, Bùi Duy Nam, Nguyễn Ngọc Lân, “Một vài kết quả thực nghiệm kéo dài thời gian cháy của nhiên liệu rắn trong động cơ 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 của nhiên liệu rắn tên lửa trên cơ sở đo đặc tuyến làm việc của động cơ mẫu” Viện Khoa học và Công nghệ quân sự (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 bài ngày 09 tháng 7 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; *Email: maivantu0101@gmail.com.