dr inż. Marian STUDENCKI Wojskowy Instytut Techniczny Uzbrojenia BADANIA WŁAŚCIWOŚCI ZESPOŁÓW NAPĘDOWYCH RAKIET OSA W artykule przedstawiono wybrane problemy dotyczące badań zespołów napędowych rakiet przeciwlotniczych średniego zasięgu OSA. Omówiono stosowaną metodę badań i zaprezentowano wyniki eksperymentów przeprowadzonych w latach 2002 2007. 1.Wstęp Jednym z elementów badań prognostycznych rakiet przeciwlotniczych OSA (9M33M2 i 9M33M3), są badania dynamiczne właściwości ich zespołów napędowych w dynamice, które wykonuje się w WITU na stanowisku zwanym hamownia pionową. Badania te prowadzi się w celu sprawdzenia sprawności całego zespołu napędowego, którego elementami są: pironaboje, zapłonnik (podsypka prochowa), paliwo silnika startowego i paliwo silnika marszowego, czujniki ciśnienia, komora spalania wraz z dyszą. Podstawowe elementy zespołu napędowego pokazano na Rys.1. i na fotografiach : fot.1 fot.2. W trakcie badań oraz na podstawie uzyskanych wyników: - dokonuje się oceny stabilności przebiegu procesu spalania: - określa się wartości maksymalne siły ciągu silnika w reżimie startowym i marszowym; - określa się wartości maksymalne ciśnienia w komorze spalania; - ocenia się jakość powłoki termicznej komory spalania porzez sprawdzenie zewnętrznej powłoki lakierniczej; - sprawdza się czy nie występują ślady wymywania materiału w przekroju krytycznym dyszy wylotowej. Do przeprowadzenia pomiarów niezbędna jest niżej wymieniona aparatura: - wielokanałowy rejestrator HIOKI; - mostek pomiarowy; - omomierz niskoprądowy; - czujnik siły indukcyjny - DMT 5T; - piezoelektryczny czujnik ciśnienia BHL. Ponieważ, dostarczone przez producenta rakiet, Instrukcje eksploatacji podają tylko dwa parametry zespołów napędowych tj.: ciśnienie maksymalne w komorze spalania oraz czas palenia tych zespołów, zmierzone wartości tych parametrów stanowią jedno z kryteriów oceny przydatności do dalszej eksploatacji. Wartości siły ciągu są parametrami pomocniczymi i mogą być jedynie porównywane z dotychczas uzyskanymi wynikami. Ostatecznie o przydatności paliw i elementów łańcucha pirotechnicznego do dalszej eksploatacji decydują badania fizykochemiczne tych materiałów, które dostarczają pełnych informacji o ich właściwościach fizycznych i ewentualnych tendencjach zmian mających wpływ na bezpieczeństwo eksploatacji. 99
3 2 1 Rys. 1. Zespół napędowy rakiety OSA - przekrój wzdłuż osi rakiety: 1. laska prochowa silnika startowego; 2. laska prochowa silnika marszowego 3. zapłonnik (podsypka prochowa). Fot. 1. Ładunek marszowy po wyjęciu z komory spalania Fot. 2. Ładunek startowy po wyjęciu z komory spalania 100
2. Metoda badań Do badań zespołów napędowych wybiera się ładunki prochowe silników marszowych i startowych, uzyskane po demontażu rakiet sprawnych. Po demontażu rakiet wykonuje się pomiar masy całego zespołu napedowego. Masę tą uwzględnia się podczas skalowania aparatury pomiarowej. Badania zespołów napędowych przeprowadzane są według: Procedury badań stacjonarnych zespołów napędowych na hamowni pionowej (opracowanie WITU / Z-13). Pomiarowy czujnik ciśnienia wkręca się w gniazdo czujnika ciśnienia zespołu napędowego po jego wykręceniu. Sposób umieszczenia czujników oraz mocowania zespołu napędowego pokazano na fotografiach: fot. 3. fot. 8. Przed odpaleniem wykonuje się pomiary rezystancji pironabojów UDP-2-3 oraz linii odpalania. Wartość rezystancji linii odpalania wraz z podłączonymi równolegle dwoma pironabojami wynosi około: 1,25 Ω. Uzyskanie takich wartości z pomiarów świadczy o sprawności pironabojów i linii odpalania. Odpalenie ładunku silnika startowego i marszowego przeprowadza się na hamowni pionowej dokonując pomiarów i rejestracji wartości siły ciągu oraz ciśnienia w komorze spalania w czasie pracy zespołu napędowego. B A Fot. 3. Dno komory spalania zespołu napędowego: A miejsce wkręcenia czujnika pomiarowego ciśnienia z reduktorem, B- złącze elektryczne pironaboju. Fot. 4. Czujnik pomiaru ciśnienia wraz z reduktorem i kablem sygnałowym. 101
Fot. 5. Sposób podłączenia linii odpalania do złącza elektrycznego pironaboju. A B A B B Fot. 6. Sposób umieszczenia czujnika siły ciągu. A - uchwyty do mocowania napędowego na stanowisku pomiarowym, B -czujnik siły ciągu. zespołu 102
Fot. 7. Zespół napędowy przygotowany do odpalenia Fot. 8. Widok ogólny hamowni pionowej 103
3. Wyniki badań Niektóre wyniki badan zespołów napędowych przeprowadzonych w 20007 r. podano w tablicy 3.1. oraz na wykresach poniżej. Zebrane wyniki badań z lat 2002 2007 pokazano na Rys. 3 - Rys. 9. Tab. 3.1. typ rakiety 9M33M2 9M33M3 rok prod. 1983 1982 1986 1986 masa zespołu napędowego [kg] 78,8 78,2 79 78,8 kolejny numer próby 1 2 3 4 temp. otoczenia +25 0 C +25 0 C +22 0 C +22 0 C rezystancja linii odpalania 0,67 Ω 0,67 Ω 0,63 Ω 0,63 Ω rezystancja linii odpalania i pironaboi (2xUDP2-3) [Ω] 1,23 1,25 1,21 1,21 wartość maks. siły ciągu silnika w reżimie startowym [kn] 17,94 19,55 17,51 13,04 wartość średnia siły ciągu silnika w reżimie startowym [kn] 16,65 17,31 15,86 12,42 wartość maks. siły ciągu silnika w reżimie marszowym [kn] 5,27 5,28 5,01 3,54 wartość średnia siły ciągu silnika w reżimie marszowym [kn] 5,27 4,93 4,62 3,45 wartości maks. ciśnienia w komorze spalania [MPa] 11,63 13,42 12,66 10,9 łączny czas pracy silnika [s] 15,36 15,14 15,75 16,75 Uwaga; wartości nominalne określone przez producenta wynoszą: - czas pracy silnika: 13,2 19,2 s; - ciśnienie maksymalne w komorze spalania: 15 MPa 104
C CH2 N 17307,60 A B reżim startowy CH2 N 4928,926 C D reżim marszowy D Rys. 2. Przebieg zmian siły ciągu zespołu napędowego rakiety 9M33M2 (rok prod. 1982). Drugi szczyt pod koniec pracy w reżimie startowym (5 6 sek.) jest zjawiskiem nieprawidłowym, świadczyć może o zmianach właściwości paliwa. 105
C CH1 MPa 12,06915 A B reżim startowy CH1 MPa 3,7279 C D reżim marszowy D Rys. 3. Przebieg zmian ciśnienia w komorze spalania zespołu napędowego rakiety 9M33M2 (rok prod. 1982). Drugi szczyt pod koniec pracy w reżimie startowym (5 6 sek.) jest zjawiskiem nieprawidłowym, świadczyć może o zmianach właściwości paliwa. 106
C CH2 N 12417,12 A B reżim startowy CH2 N 3451,634 C D reżim marszowy D Rys. 4. Przebieg zmian siły ciągu zespołu napędowego rakiety 9M33M3 (rok prod. 1986). Przebieg prawidłowy. 107
C CH1 MPa 10,38605 A B reżim startowy CH1 MPa 3,4434 C D reżim marszowy D Rys. 5. Przebieg zmian ciśnienia w komorze spalania zespołu napędowego rakiety 9M33M3 (rok prod. 1986). Przebieg prawidłowy. 108
siła ciągu - reżim startowy 20000 siła ciągu [N] 18000 16000 14000 12000 10000 8000 6000 14715 14899 13209 11841 14710 13826 14200 14300 13200 14000 16656 17307 15857 12417 4000 2000 0 F1st F2st F3st F4st F5st F6st F7st F8st F9st F10st F11st F12st F13st F14st Rys.6. Porównanie wyników pomiarów siły ciągu silnika rakiet OSA w reżimie startowym. Oznaczenia indeksów: 1 i 2 partia z 1981 r. - badania 2002 r.; 3 partia z 1978 r. RZ-13 (wersja morska) - badania w 2004 r.; 4 partia z 1979 r. RZ-13-badania w 2004 r.; 5 i 6 partia z 1981 r. - badania w 2004 r.; 7 i 8 partia z 1983 r. - badania w 2006 r.; 9 i 10 partia z 1984 r.- badania w 2006 r.; 11 partia z 1983 r. - badania w 2007 r.; 12 partia z 1982 r. badania w 2007 r.; 13 partia z 1986 r., badania w 2007 r.; 14 partia z 1986 r. - badania w 2007 r. (Na wykresach podano wartości średnie w czasie pracy w reżimie startowym). Wartość średnia z bazy danych: F st śr = 14367 N. 109
siła ciągu- reżim marszowy siła ciąg u [N] 6000 5000 4000 3000 2000 4644 4905 4369 3045 4707 4413 4250 4470 4100 4000 5276 4928 4619 3451 1000 0 F1 mar F2 mar F3 mar F4 mar F5 mar F6 mar F 7mar F8 mar F9 mar F10mar F11mar F12mar F13mar F14mar Rys. 7. Porównanie wyników pomiarów siły ciągu silnika rakiet OSA w reżimie marszowym. Oznaczenia indeksów: 1 i 2 partia z 1981 r. - badania 2002 r.; 3 partia z 1978 r. RZ-13 (wersja morska) - badania w 2004 r.; 4 partia z 1979 r. RZ-13-badania w 2004 r.; 5 i 6 partia z 1981 r. - badania w 2004 r.; 7 i 8 partia z 1983 r. - badania w 2006 r.; 9 i 10 partia z 1984 r.- badania w 2006 r.; 11 partia z 1983 r. - badania w 2007 r.; 12 partia z 1982 r. badania w 2007 r.; 13 partia z 1986 r., badania w 2007 r.; 14 partia z 1986 r. - badania w 2007 r. (Podano wartości średnie w czasie pracy w reżimie marszowym). F mar śr = 4370 N. 110
całkowity czas pracy silnika 25 czas [s] 20 15 10 13,2 15,9 16,1 14,6 14,8 16,1 16 15,36 15,14 15,75 16,75 15,8 15,7 15,5 16,5 19,2 5 0 tm in t1un t2 UN t3 UN t4 UN t5 UN t6 UN t7 UN t8un t9un t10un t11 UN t12un t13un t14un tm ax Rys. 8. Porównanie wyników całkowitych czasów pracy silnika rakiet OSA. Oznaczenia indeksów: 1 i 2 partia z 1981 r. - badania 2002 r.; 3 partia z 1978 r. RZ-13 (wersja morska) - badania w 2004 r.; 4 partia z 1979 r. RZ-13-badania w 2004 r.; 5 i 6 partia z 1981 r. - badania w 2004 r.; 7 i 8 partia z 1983 r. - badania w 2006 r.; 9 i 10 partia z 1984 r.- badania w 2006 r.; 11 partia z 1983 r. - badania w 2007 r.; 12 partia z 1982 r. badania w 2007 r.; 13 partia z 1986 r. - badania w 2007 r.; 14 partia z 1986 r. - badania w 2007 r. (Podano wartości średnie w czasie pracy w reżimie marszowym).wartości t min i t max określone przez producenta. Wartość średnia z pomiarów: t UN śr =15,7 s. 111
ciśnienie maksymalne w komorze spalania [MPa] 16 15 Pmax [MPa] 14 12 10 8 6 9,6 10,5 11,5 11,8 11,7 11,2 11,8 11,63 13,33 12,74 10,38 4 2 0 Pmax dop P3m ax P4m ax P6m ax P7m ax P8m ax P9m ax P10m ax P11m ax P12m ax P13m ax P14m ax Rys. 9. Porównanie wartości ciśnień w komorze spalania zespołu napędowego rakiet OSA. Oznaczenia indeksów: 1 i 2 partia z 1981 r. - badania 2002 r.; 3 partia z 1978 r. RZ-13 (wersja morska) - badania w 2004 r.; 4 partia z 1979 r. RZ-13-badania w 2004 r.; 5 i 6 partia z 1981 r. - badania w 2004 r.; 7 i 8 partia z 1983 r. - badania w 2006 r.; 9 i 10 partia z 1984 r.- badania w 2006 r.; 11 partia z 1983 r. - badania w 2007 r.; 12 partia z 1982 r. badania w 2007 r.; 13 partia z 1986 r. - badania w 2007 r.; 14 partia z 1986 r. - badania w 2007 r. Wartość maksymalna P max dop = 15 MPa określona przez producenta. Wartość średnia z pomiarów P max śr = 11,47 MPa. 112
4. Wnioski 4.1. Przedstawiona metoda badań umożliwia wykonanie pomiarów dwóch, określonych przez producenta, parametrów zespołów napędowych: ciśnienia maksymalnego w komorze spalania i całkowitego czasu palenia; 4.2. Analiza przebiegu zmian wyżej wymienionych parametrów prowadzić może do wykrycia niekorzystnych zjawisk w pracy zespołu napędowego (np. niestabilnego spalania, przekroczenia dopuszczalnej wartości ciśnienia, przepalenia osłony termicznej); 4.4. Omówiona metoda badań umożliwia ponadto sprawdzenie działania wszystkich elementów łańcucha pirotechnicznego zespołów napędowych; 4.5. Wyniki badań w postaci przebiegu zmian wartości siły ciągu przy zastosowanie odpowiedniego oprogramowania (gdyby takie opracowano), mogą być wykorzystane do symulacji komputerowej lotu rakiety; 4.6. Wyniki badań dynamicznych zespołów napędowych wraz z wynikami badań fizykochemicznych materiałów napędowych mogą stanowić merytoryczną podstawę do przedłużania okresu użytkowania rakiet. Literatura [1] - Materiały archiwalne WITU niepublikowane [2] - Przeciwlotnicza rakieta kierowana 9M33M2. Opis i użytkowanie Uzbr. 2113/80; [3] - Przeciwlotnicza rakieta kierowana 9M33M3. Opis i użytkowanie Uzbr. 2340/84; [4] - Stacja kontrolno pomiarowa AKIPS 9W242-1E Użytkowanie Uzbr. 2470/87. 99