PROJEKTOWANIE I BADANIA ZESPOŁU DYSZY SILNIKA RAKIETOWEGO NA PALIWO STAŁE SOLID PROPELLANT ROCKET MOTOR NOZZLE DESIGN AND TEST

Transkrypt

1 mgr inż. Jerzy OWICKI Wojskowy Instytut Techniczny Uzbrojeni PROJEKTOWAIE I BADAIA ZESPOŁU DYSZY SILIKA RAKIETOWEGO A PALIWO STAŁE Streszczenie: Artykuł jest kontynucją rozwżń dotyczących zgdnień związnych z projektowniem silnik npędowego n pliwo stłe pocisku rkietowego [1],[2]. W [1] przedstwiono prktyczną metodę projektowni łdunku npędowego silnik, w [2] pokzno sposób oceny wytrzymłości komory splni. tomist poniżej podno prosty sposób projektowni kolejnego wżnego elementu silnik tj. zespołu dyszy. Również n przykłdzie silnik strtowego imittor celu powietrznego ICP-G [1] pokzno kolejne etpy projektowni (obliczni) dyszy. Przedstwiono tkże wyniki bdń stcjonrnych silnik n hmowni potwierdzjące prktyczną przydtność tej metody. SOLID PROPELLAT ROCKET MOTOR OZZLE DESIG AD TEST Abstrct: The pper is continution of considertions linked with the designing of solid propellnt rocket motor [1], [2]. A prcticl designing method for motor propelling chrge is presented in [1] nd wy for ssessment of burning chmber is included in [2]. A simple designing method for the nozzle unit is presented in the hereby pper. Prticulr stges of nozzle designing process re referred to the exmple of the strting motor of the eril trget imittor ICP-G [1]. The results of tests crried out on motor testing bed confirm the suitbility of proposed method. 1. Wstęp Zespół dyszy wrz z komorą splni i umieszczonym w niej łdunkiem npędowym są podstwowymi częścimi skłdowymi silnik rkietowego n pliwo stłe. Dysz jest elementem silnik rkietowego, w którym zchodzi zmin energii potencjlnej gzów powstłych podczs splni łdunku npędowego n energię kinetyczną strumieni gzów z niej wypływjącego. Prmetry konstrukcyjne dyszy, przy przyjętym łdunku npędowym (rodzj pliw, typ, wymiry), mją decydujący wpływ n chrkterystyki blistyczne silnik tj. n ciśnienie prcy i ciąg. Projektownie zespołu dyszy jest ztem jednym z njbrdziej odpowiedzilnych etpów oprcowni konstrukcji silnik rkietowego. Dltego celowym wydje się pokznie jkie problemy związne z oprcowniem zespołu dyszy stoją przed konstruktorem silnik rkietowego. Poniżej n przykłdzie silnik strtowego imittor celu powietrznego ICP-G [1] przedstwiono kolejne etpy projektowni zespołu dyszy tj. wybór rodzju dyszy, mteriłu dyszy orz określenie prmetrów geometrycznych dyszy. 141

2 2. Wybór rodzju zespołu dyszy Poprzez tzw. zespół dyszy silnik rkietowego n pliwo stle rozumie się dno tylne komory splni, dyszę orz ruszt. Zespoły dyszy (pomijjąc ruszt) są z reguły wykonywne w postci dn z pojedynczą dyszą centrlną (wkręcną w dno lub stnowiącą z dnem jedną cłość) lub jko dno z kilkom dyszmi (wkręcnymi lub wykonnymi bezpośrednio w dnie); jest to tzw. blok dysz. Wybierjąc dl projektownego silnik jeden z tych wrintów nleży w pierwszej kolejności mieć n uwdze: przeznczenie (złożony ukłd konstrukcyjny) pocisku, przyjęty rodzj stbilizcji pocisku (brzechwow, obrotow), wymgni ZTT odnośnie msy, długości orz donośności i rozrzutu. Dl typowych blistycznych pocisków rkietowych stbilizownych brzechwowo wybier się wrint zespołu dyszowego z jedn dyszą centrlną (np. M-21OF). tomist przy projektowniu pocisku ze stbilizcją obrotow, nleży zwczsu przewidzieć zstosownie bloku dysz (np. M-14OF). Wpływ klibru pocisku n wybór rodzju zespołu dyszy jest mniej istotny. Możn tylko powiedzieć, że pociski klibru mm wykonuje się z reguły z jedną dyszą centrlną. W pociskch klibru większego od 100 mm zespół dyszy może być wykonny z dnem z wielom dyszmi lub z jedną dyszą centrlną. Przyjęcie bloku dysz zmist dyszy centrlnej m pewne istotne zlety. Podstwow to możliwość zmniejszeni długości dyszy, tym smym zmniejszeni długości orz msy pocisku (szczególnie jest to istotne dl pocisków o dużych klibrch). Wykonnie jednolitego bloku dysz (dysze wykonne bezpośrednio w dnie) pozwl n zmniejszenie prktycznie do zer mimośrodowości (symetrii) siły ciągu silnik, co poprwi skupienie pocisku. Jednk wykonnie tkiego bloku dysz jest trudniejsze technologicznie, więc dużo droższe. W tkim przypdku wdliwe wykonnie jednej dyszy powoduje wybrkownie cłego bloku. Dltego, z reguły wybier się wrint gdy dysze są wkręcne w dno. Oczywiście podstwowym elementem skłdowym zespołu dyszy jest dysz. W silnikch npędowych typowych blistycznych pocisków rkietowych (rtyleri rkietow) stosuje się dysze ze stłą wielkością przekroju krytycznego (imlnego) tzn. nie m możliwości jego regulowni (tzw. dysze proste). tomist w pociskch, dl których podstwowym wymgniem jest powtrzlność trjektorii (niewielki rozrzut) dl cłego zkresu tempertury eksplotcji pocisku (z reguły od -40 º C do +50 º C), stosowne są dysze z możliwością regulcji przekroju krytycznego. Tkie rozwiąznie pozwl ogrniczyć niekorzystne zjwisko zmin ciśnieni w komorze splni, w zleżności od tempertury początkowej łdunku. Są silniki, do których stosuje się wymienne dysze o różnych średnicch imlnych. Jest to tzw. regulcj stopniow (skokow). Wdą tkiego rozwiązni jest konieczność wyposżni kżdego silnik w komplet wymiennych dysz. W komplecie znjdują się dysze, których średnice imlne są obliczone z reguły dl trzech zkresów tempertur: od -40 º C do -15 º C, od -15 º C do +15 º C, od +15 º C do +50 º C. Innym brdziej skomplikownym technicznie rozwiązniem są dysze z regulcją ciągłą. W tkim przypdku dl kżdej tempertury początkowej łdunku, możliwe jest ustwienie, odpowidjącego jej pol przekroju imlnego dyszy. Projektując zespół dyszowy silnik strtowego imittor celu powietrznego ICP-G brno pod uwgę powyższe przesłnki. Przyjęto zespół dyszy jko dno tylne z jedną dyszą centrlną stnowiące jedną cłość. przyjęcie tkiego rozwiązni decydujący wpływ miło złożenie, że imittor będzie stbilizowny brzechwowo orz niezbyt ostre wymgni odnośnie msy i długości pocisku. 142

3 3. Ustlenie mteriłu dyszy Dl konstruktor wybór mteriłu dyszy stnowi dość trudne zgdnienie. Wrunki prcy dyszy są brdzo trudne. Strumień gzów przepływjących przez dyszę osiąg temperturę niekiedy 3500 º C orz dużą prędkość i wysokie ciśnienie. Powoduje to znczne ngrzewnie się dyszy. jbrdziej obciążony dziłniem tych czynników jest odcinek dyszy obejmujący przekrój imlny, w którym z tego powodu, może wystąpić zjwisko erozji dyszy. Erozj dyszy wynik z mechnicznego oddziływni strumieni gzów n powierzchnię ścinki dyszy ngrznej do tempertury, przy której znikją wiązni cząstek metlu. W efekcie nstępuje wymycie cząstek metlu i wyrzucenie ich n zewnątrz, co powoduje zwiększenie przekroju imlnego dyszy. Erozj dyszy jest tym większ im większ jest tempertur i gęstość gzów orz czs prcy silnik, orz im gorszy jest mterił i większ chropowtość powierzchni. Erozji zpobieg się poprzez stosownie odpowiednich odpornych n wysoką temperturę mteriłów, nwet poprzez chłodzenie dyszy. W prktyce podstwowym kryterium doboru mteriłu n dysze jest czs prcy silnik. Dl silników o krótkim czsie prcy (nie przekrczjącym 3 s.) dysze wykonuje się ze stli węglowych, niskostopowych lub stopowych przeznczonych do ulepszni cieplnego. tomist w silnikch o dłuższym czsie prcy dysze wykonuje się ze stli wyższej jkości (np. ze stli żroodpornych) lub dysz n odcinku przekroju imlnego zwier wkłdkę wykonną z mteriłu cermicznego, specjlnie obrobionego grfitu lub innego odpornego n dziłnie tempertury mteriłu. Wkłdkę otrzymuje się drogą prsowni lub metodmi metlurgii proszków. Projektując silnik strtowy imittor ICP-G, przy wyborze mteriłu dyszy oprto się również głównie o kryterium czsu prcy silnik. Czs ten określono podczs obliczeń blistyki wewnętrznej silnik. Dl tempertury +15 º C wynosi on τ = 0,8 s. Poniewż jest on stosunkowo krótki (nie przekrcz 1 s), jko mterił dyszy przyjęto stl stopową konstrukcyjną do ulepszni cieplnego 30HGSA wg. P/H Określenie wymirów geometrycznych dyszy Prmetry konstrukcyjne dyszy silnik mją przy przyjętym rodzju łdunku npędowego decydujący wpływ n blistykę wewnętrzną silnik rkietowego. Przystępując do projektowni dyszy silnik, nleży brć pod uwgę, że jej konstrukcj powinn zpewnić: wielkość przyjętego ciśnieni w komorze splni, które przy ustlonych prmetrch konstrukcyjnych łdunku i komory splni (wrunkch łdowni) określ się wielkością przekroju imlnego dyszy, odpowiedni stopień rozprężni się gzów gwrntujący uzysknie możliwie njwiększego impulsu jednostkowego, co jest związne z odpowiednim doborem ksztłtu części wylotowej dyszy, imlną symetrię ciągu (współosiowość wszystkich części dyszy), technologiczność wykonni. Teoretycznie njbrdziej ekonomiczną powinn być dysz, któr zpewniłby cłkowite rozprężenie gzów od ciśnieni roboczego w komorze splni p rob. do ciśnieni n wyjściu z dyszy (w przekroju wylotowym) p równego ciśnieniu tmosferycznemu p z pnującemu n zewnątrz silnik. Jednk tk dysz, musiłby posidć brdzo długą część nddźwiękową, więc i dużą msę. W rzeczywistych silnikch ciśnienie w przekroju wylotowym jest większe od ciśnieni zewnętrznego ( p p ). Z reguły przyjmuje się p = 0,4 0,7 MP. z 143

4 W ten sposób trci się niezncznie n prędkości wypływu gzów, lecz uzyskuje się istotne zmniejszenie msy i gbrytów silnik. Projektownie dyszy silnik sprowdz się do ustleni jej wymirów geometrycznych. W pierwszej kolejności określ się średnicę imlną (krytyczną) dyszy d, nstępnie średnicę wylotową d i w dlszej kolejności pozostłe wymiry Określenie średnicy imlnej (krytycznej) dyszy Podstwowym prmetrem konstrukcyjnym dyszy, również silnik, jest średnic imln dyszy d, któr określ przekrój imlny F (krytyczny) dyszy. Wrtość d ( F ) przy przyjętym łdunku (określon początkow powierzchni splni łdunku S 0 ) deteruje (głównie od niej zleży) ciśnienie prcy silnik. Wyzncz się ją z tzw. współczynnik zcisku dyszy K, który z jednej strony określony jest poprzez prmetry blistyczne silnik (oblicz się go przeksztłcjąc względem niego zleżność n ciśnienie robocze w komorze splni [3]), z drugiej strony poprzez prmetry konstrukcyjne silnik tj. poprzez stosunek początkowej powierzchni splni łdunku S do przekroju imlnego dyszy F : o 1 n prob. CD K = (1) u γ 1 So K = (2) F Z wzoru (1) oblicz się K nstępnie z wzoru (2) wyzncz się F i osttecznie d : d 4 F = (3) π Z powyższych wzorów wynik, że przy projektowniu silnik, wyznczenie średnicy imlnej dyszy jest możliwe, dopiero po przyjęciu (zprojektowniu) łdunku npędowego tj. po określeniu wymirów geometrycznych łdunku ( S o ) i ustleniu rodzju pliw rkietowego, z którego m być wykonny łdunek - n, u1, γ [1] orz po wyborze (złożeniu) ciśnieni prcy silnik p rob.. W powyższy sposób określono średnicę imlną dyszy d silnik strtowego imittor ICP-G. Obliczeni przeprowdzono dl nstępujących dnych: p rob. = 8, /m 2 - przyjęte ciśnienie robocze silnik, γ = 1, /m 3 - ms włściw pliw, u 1 = 0, (m 2 /) n m/s - współczynniki chrkteryzujące prędkość splni msy prochowej RSI-12M-MG, n = 0,143 C D = 7, /s - współczynnik wydtku sekundowego, S = 0,7813 m 2 - początkow powierzchni splni łdunku 0 npędowego. 144

5 Podstwijąc ww. dne określono współczynnik K = 355, nstępnie pole przekroju imlnego dyszy F = m 2. Poniewż przyjęto jedną dyszę centrlną (pkt 2) jej średnic imln wyniosł: 4.2. Określenie średnicy wylotowej dyszy d = 53 +0,1 mm Średnic przekroju wylotowego dyszy d jest drugim wżnym prmetrem konstrukcyjnym dyszy. Jej wielkość dl wyznczonej d dobier się podczs projektowni, w zleżności od przyjętego (złożonego) poszerzeni dyszy czyli od stosunku średnicy wylotowej d do średnicy imlnej d. d ε = (4) d Od określonej wzorem (4) chrkterystyki konstrukcyjnej silnik czyli od geometrii części nddźwiękowej dyszy zleżą w dużym stopniu tkie jego prmetry blistyczne jk ciąg i impuls jednostkowy. Przy określonych prmetrch blistyczno-konstrukcyjnych silnik ciąg i impuls jednostkowy mogą być powiększone tylko poprzez zminę poszerzeni dyszy. W prktyce njczęściej stosowne są dysze z poszerzeniem ε = 1,5 2,5. Dobierjąc poszerzenie dyszy nleży z jednej strony uwzględnić wrunek nie odrywni się strumieni od ścinki dyszy, co ogrnicz mksymlną wrtość kąt rozwrci dyszy wielkością α = º. Z drugiej strony kąt ten nie może być zbyt mły, gdyż prowdzi to do zwiększeni długości dyszy, jej msy, więc również msy silnik. tomist dysze z dużymi poszerzenimi stosuje się stosunkowo rzdko, poniewż strty wypływu gzów w tkich dyszch obniżją efekt zwiększeni ciągu i impulsu jednostkowego ze wzrostem ε. Możn nwet zuwżyć obniżenie blistycznych chrkterystyk silnik przy dyszch z ε > 3 4, poniewż przyrost siły ciągu w tkich dyszch niekiedy nie wyrównuje jego spdku związnego ze zwiększeniem msy konstrukcji silnik (pocisku) Dl silnik strtowego imittor ICP-G n podstwie powyższych wymgń orz ze względów konstrukcyjnych przyjęto kąt rozwrci dyszy α = 24 º orz poszerzenie dyszy ε = 1,8. stępnie ze wzoru (4) obliczono średnicę wylotową dyszy d. d = ε d = 95 +0,5 mm 4.2. Wyznczenie pozostłych wymirów dyszy W silnikch rkietowych n pliwo stłe dysze wykonuje się w postci dwóch stożków ściętych, połączonych mniejszymi podstwmi poprzez odcinek cylindryczny o średnicy d (rys. 1). Długość części nddźwiękowej dyszy (stożk wylotowego) przy przyjętym poszerzeniu i kącie rozwrci dyszy oblicz się z wzoru: l d d = (5) α 2 tg 2 145

6 ºTrzeciej średnicy dyszy tj. średnicy wlotowej części poddźwiękowej d w nie oblicz się, lecz przyjmuje się ją ze względów konstrukcyjnych. Prktycznie nie oblicz się również pozostłych wymirów liniowych dyszy czyli długości stożk wlotowego l w i długości odcink cylindrycznego l, lecz przyjmuje się je przy projektowniu. Dobierjąc l w nleży mieć n uwdze, że nie powinn on być mniejsz niż mm, kąt stożk wlotowego powinien zwierć się w grnicch β = º. Tki stosunek elementów stożk wlotowego zpewni ksztłtownie się strumieni n wejściu do dyszy z njmniejszymi strtmi, przy stosunkowo niewielkiej długości stożk wlotowego. tomist długość części cylindrycznej powinn być mniejsz od średnicy imlnej l d, jednk nie powinn być mniejsz od 3 10 mm. Wymir ten przyjmuje się mjąc n uwdze dw podstwowe wymgni: produkcyjno-technologiczne i eksplotcyjne. Względy wykonwcze, to konieczność przyjęci odcink przekroju imlnego dyszy w ksztłcie wlc, gdyż tylko w tkim przypdku możliwe jest wykonnie go w wysokiej klsie dokłdności. tomist wymgni eksplotcyjne dotyczące l związne są z tym, że tki ksztłt przekroju imlnego zmniejsz zjwisko erozji dyszy, które prowdzi do obniżeni ciśnieni w komorze splni, w wyniku czego prmetry prcy silnik są inne od przyjętych (obliczonych). W oprciu o powyższe wymgni orz mjąc n uwdze wymgni konstrukcyjne, określono wszystkie pozostłe wymiry ( d i d wyznczono wcześniej) dyszy silnik strtowego imittor ICP-G. Schemt zprojektownej dyszy pokzno n rys. 1. d = 53 +0,15 Po zkończeniu prc projektowych, jedynym sposobem sprwdzeni czy prmetry konstrukcyjne dyszy zostły dobrne włściwie jest przeprowdzenie bdń stcjonrnych modelu zprojektownego silnik n hmowni. Bdni tkie mją n celu rzeczywiste okredw = ,5 α = 24 º d = 95 +0,5 β = 70 º l ~ 25,5 l w ~ 49,5 l ~ 99 l = 174 Rys. 1. Schemt dyszy silnik strtowego imittor ICP-G 5. Bdni stcjonrne zespołu dyszy 146

7 ślenie prmetrów jego prcy (ciąg, ciśnienie, czs prcy, ocen stbilności prcy). Weryfikują one prktycznie, przyjętą metodykę projektowni silnik, więc również przedstwiony sposób projektowni zespołu dyszy. Przeprowdzono trzy próby stcjonrne silnik n hmowni (temp. łdunku +15 º C). rys. 2 pokzno jeden z uzysknych wykresów ciśnieni prcy silnik w funkcji czsu. Rys. 2. Wykres ciśnieni p w czsie prcy silnik strtowego ICP-G Określone z wykresu rzeczywiste ciśnienie robocze (średnie n odcinku roboczym) wynosi p rob = 7,3 MP. Jest ono o 1,2 MP (14 %) niższe od ciśnieni złożonego (8,5 MP). Wynik to z przyjętego złożeni, że powierzchni splni łdunku w czsie prcy silnik jest wielkością stłą równą S 0 (początkow powierzchni splni). W rzeczywistości splnie łdunku (siedem rurowych lsek prochowych) jest lekko degresywne, co ozncz, że powierzchni splni niezncznie mleje podczs prcy silnik [3]. Przy stłym przekroju imlnym dyszy mleje również współczynnik K, więc tkże ciśnienie. Po bdnich n hmowni możliw jest korekt wielkości przekroju imlnego (średnicy) dyszy. W tym przypdku, by uzyskć złożone ciśnienie, nleżłoby odpowiednio zmniejszyć średnicę krytyczną dyszy. Poniewż uzyskne ciśnienie było niezncznie niższe od złożonego i przeprowdzone również w skrjnych temperturch eksplotcyjnych (-40 º C i +50 º C) bdni wykzły, że silnik, w cłym zkresie tych tempertur, prcuje stbilnie; uznno, że średnic dyszy zostł określon prwidłowo. Potwierdziły to przeprowdzone nstępnie bdni poligonowe strzelniem imittor [1]. 6. Podsumownie Projektownie zespołu dyszy jest jednym z njbrdziej odpowiedzilnych etpów oprcowni konstrukcji silnik rkietowego n pliwo stłe. Dltego dl konstruktor silnik dużą rolę odgryw znjomość prostej metody szybkiego obliczni (doboru) prmetrów zespołu dyszy, zpewnijącego spełnienie postwionych wymgń. Podn metod umożliwi już n wstępnym etpie projektowni silnik rkietowego określenie, z dostteczną dokłd- 147

8 nością, docelowych prmetrów zespołu dyszy silnik tj. rodzju, mteriłu orz wymirów geometrycznych dyszy. Metod zostł zweryfikown bdnimi stcjonrnymi n hmowni i bdnimi poligonowymi strzelniem silników rkietowych oprcownych n jej podstwie i może być stosown w prktyce blistycznego projektowni silników rkietowych n pliwo stłe. Litertur [1] J. owicki Projektownie i bdni łdunku npędowego silnik strtowego imittor celu powietrznego ICP-G, PTU r 1/2008 r. [2] J. owicki Ocen wytrzymłości komory splni silnik rkietowego n pliwo stłe, PTU r 4/2006 r. [3] J. owicki Ciśnienie prcy w silniku rkietowym n pliwo stłe, PTU r 4/2004 r. [4] J. Weiss, S. Torecki, S. Mjewski Podstwy teorii i konstrukcji silników rkietowych n pliwo stłe, WAT, Wrszw 1966 r. [5] W. Kurow, J. Dołżnski Zsdy projektowni pocisków rkietowych n pliwo stłe, Wydwnictwo Ministerstw Obrony rodowej, Wrszw 1964 r. [6] I. H. Fhrutdinow Rkietnyje dwigteli twierdowo topliw, MASZIOSTROJEIE, Moskw 1981 r. [7] J. M. Szpiro, G. J. Mzing, H.E. Prudnikow Osnowy projektirownj rkiet n twierdom topliwie, WOJEOJE IZDATELSTWO MIISTERSTWA OBOROY SSSR, Moskw 1968 r. [8] A. M. Siniukow Blisticzeskj rkiet n twierdom topliwie, WOJEOJE IZDA- TELSTWO MIISTERSTWA OBOROY SSSR, Moskw 1972 r. 148

9 149