CC BY
32
Mr LajoS Tot, dipt. ini. Vojnotchni£ki instrtut, Beograd
POBOLJŠANJE MEHANIČKIH OSOBINA DVOBAZNIH RAKETNIH GORIVA ZA IMPULSNE MOTORE
UDC: 621.45.07-6 : 67.017]: 547.284.3-134
Rezime:
Prikazan je i analiziran uticaj dehvanja para acetona na mehaničke osobine i br-zinu gorenja dvobaznih rakelnih goriva и obliku barutnih cevćica. Mehartićka ispitiva-nja vriena su jednoosnim zatezanjem i ispitivanjem na udar. Ispitivanja brzine gorenja obavljana su и manometarskoj bombi i и realnim motorima. Dobijeni rezultati ispitivanja pokazuju znatan uticaj para acetona na mehaničke osobine baruta b?z večeg uticaja na brzinu gorenja.
Ključne reči: mehaničke osobine, brzina gorenja. dvobazno raketno gorivo.
IMPROVEMENT OF MECHANICAL PROPERTIES OF DOUBLE BASE PROPELLANTS FOR BUSTER MOTORS
Summary:
Acetone vapours influence on the double base propellant mechanical properties and the burning rate is shown and analysed. Mechanical investigations were dene with uniaxial tensile and impact tests. Burning rate investigations were carried out in the manometric bomb and rocket motors. The obtained results of the investigations show a significant acetone vapours influence on mechanical properties without a significant influence on the burning rate.
Key words: mechanical properties, burning rate, double base propellant
Uvod
Pogonska punjenja impulsnih moto-ra obično se formiraju od aksijalno sime-triCnih barutnih cevčica, malih debljina zidova, čiji se snop pojedinačno pričvr-šćuje jednim krajem za đržač cevčica po-moću nazubljenog klinića (slika 1), a drugi kraj je Slobodan u smeru strujanja gasovitih produkata sagorevanja. Na ovaj način omogućena je paralelnost barutnih cevčica sa osom motora.
U toku leta rakete. a za vremc traja-nja procesa sagorevanja, pogonsko pu-njenje izloženo je mehanićkim napreza-njima pri pripaljivanju. usled aksijalnog ubrzanja rakete (inercijalne sile), rotaeije oko uzdužne ose rakete (centrifugalnc sile), usled razlike pritisaka u komori za sagorevanje raketnog motora (erozije po-gonskog punjenja) i drugim.
Ukoliko u toku leta rakete dode do loma pogonskog punjenja, tada dolazi do nekontrolisane promene u količini nasta-
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 3/2003.
311
lih gasovitih produkata sagorevanja. To ima za posledicu nekontrolisanu promenu u parametrima putanje rakete, a može izazvati i njeno razaranje. Otuda proisti-če važnost kvantitativnog poznavanja mehaničkih naprezanja kojima je izlože-no pogonsko punjenje u konkictnom ra-ketnom motoru, posebno radi izbora ra-ketnog goriva odgovarajućih mehaničkih karakteristika [1,2].
Barutne cevčice opteredene su na istezanje kao posledica aksijalnog ubrzanja. Napon na istezanje je najve-ći u korenu cevčice. Napon (a) u tre-nutku vremena (t) u korenu cevčice pro-porcionalan je koeficijentu koncentracije napona (a), ubrzanju (a) u posmatranom trenutku vremena, dužini cevdice (l), u posmatranom trenutku vremena i gustini barnta (p) [3]:
a- a a pi
U ovom radu opisan je pokušaj po-boljšanja mehaničkih osobina dva mode-la dvobaznih raketnih goriva (DRG), na-menjena impulsnim raketnim motorima, uz manju promenu brzine gorenja. Osno-vu za to predstavijalo je zapažanje da se pod dejstvom para organskih rastvarada bitno menjaju mehanidke osobine DRG. Sopstvenim ispitivanjem uodeno je da su promene mehanidkih osobina DRG naj-više izražene posle delovanja para aceto-na, a njegov uticaj na barutne cevčice prikazan je u ovom radu [1,2].
Kako formiranje pogonskog punje-nja ne zahteva nikakav toplotni i meha-nidki tretman ovih cevdica, ostvareni efekti delovanja para acetona na njihove mehanidke osobine ostaju prisutni u kraj-njem proizvodu, povedavajudi sigumost rada impulsnog raketnog motora.
Rezultati eksperimentalnih ispitivanja
Hemijski sastavi, fizidko-hemijske i energetske osobine opitnih modela DRG, za dvc kombinaeije katalizatora brzine sagorevanja, (K1 i K2) [ 1 ], prikazani su u tabcli 1.
Tabela /
Fizičko-hemijske i energetske osobine opitnih modela DRG
Sastav i osobine Oznaka opitnog modela
DRGI DRG2
Nitroceiuloza (mas. %) 55,65 50.46
Azot u NC (mas. %) 12,67 12,61
Nitroglicerin (mas. %) 37,50 38,53
Centralit 1 (mas. %) 2,80 2,04
Vazelin (mas. %) 0,30 -
КI (mas. %) 3,75 -
K2 (mas. %) - 8,97
Gustina (g/cmJ) 1,644 1,672
Toplotni potenciial (J/g) 4597,6 4462,8
Hemijska stabilnost: Grtjanje na 100°C (dana, h) 6d.l8h 4d.l8h
Bergman-Junk na 120°C (cmr N0/5 g) З.П 6,60
Hanzen-test na 1I0°C (pH) 3,41 3,20
Metilviolet test na 120°C (min) ifi iS
Ispitivanja mehanidkih karakteristika izradenib DRG jednoosnim isteza-njem vrSena su na po 7 epruveta na kida-lici tipa ZWICK 1464, pri brzini hoda hvataljki 100 mm/mir, na temperaturama ispitivanja -30,20 i 50°C.
Oblik i dimenzije koriSdenih epruveta prikazani su na slici 1.
S obzirom na oblik epruvete El, ni-su izradunavane zatezna dvrstoda i rela-tivno izduženje, ved su konšdene vTedno-sti izmerenc sile (F) i izduženja (Д1). Kako je u svim sludajevima, navedenim u ovom radu, maksimalna vrednost sile istovremeno i prekidna sila, to su prekid-na sila i odgovarajuda prekidna deforma-cija oznadavani sa Ft i Д1Г
312
VOJNOTEHNlCKl OLASNIK 3/200J.
nazub^em kfenšć
. 535.
EpruvetaE! EpruvetaE2 $1. I - Epruvete га mehanička ispitivanja
Ispitivanje na udar vrSeno je na Šar-pijcvom klatnu na po pet epmveta tipa E2 (slika 1) na -30°C, pri čemu je izra-
čunavan potreban rad za lom epmvete. Svi rezultati ispitivanja prikazani su kao srednje vrednosti.
Modeli barutnih cevčica izradivani su kao jednokanalne, aksijalno simetrič-ne barutne cevčice, a oblikovane su eks-(mzijom prethodno pripremljenih barutnih masa kroz odgovarajući alat.
Radi istraživanja efekata delovanja para acetona izvršena su ispitivanja me-haničkih karakteristika opitnih modela DRG1 i DRG2, kako netretiranih, tako i tretiranih, parama acetcna u intcrvalu od I do 6 sati.
Proverom gustine i toplotnog poten-cijala barutnih cevčica, izloženih dejstvu
DROl
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 3/2003.
313
para rastvarača, ustanovljeno je da пета promena ni u gustini ni u toplotnom po-tencijalu [4] u odnosu na netretirane DRG. Od bamtnih cevčica uradene su epruvete tipa Е1 (dužine 138 mm za DRG1, а 157 mm za DRG2) i ispitane mehaničke karakteristike koje su prika-zane u tabeli 2.
Tabela 2
Mehanićke osobine barutnih cevčica
Oznaka
DRG t(h) Ft (daN) Al'(mm) ТГС)
0 14.7 12.5
1 19,0 16.1 23
3 25,3 35.9
6 34,2 49.1
0 6.1 17.0
DRG1 1 3 8.6 13,3 20.5 393 50
6 20.0 653
0 36.0 3.6
3 393 64.6 7.4 -30
6 74.9 5.5
0 15.8 26.6
1 17.9 31.4
2 24.1 45.6
DRG2 3 25.9 53.6 23
3.5 25,0 47.8
4 23.7 47,8
5 24.6 483
Karakteristični oblici dijagrama sila - deformacija prikazani su na slid 2. Oznake krivih odgovaraju vremenu izla-ganja рагата acetona.
Rezultati ispitivanja baruta zateza-njcm (za DRG1) prikazani su na slid 3.
Sa slika 2 i 3 i iz tabele 2 uočava se da sa porastom vremena delovanja para acctona dolazi do porasta i silc i izduže-nja, što jc posledica naknadne želatiniza-cije nitroceluloze [1,2]. Pored toga, izvr-šena su i ispitivanja udamc žilavosti na -30°C na opitnom modclu DRG1 na
epruvetama tipa E2, a dobijeni rezultati ispitivanja prikazani su u tabeli 3.
Tabela 3
Rezultati ispitivanja udarne iilavosti
Opitni model Izvrteni rad (J)
Vreme tretiranja (h)
0 1 2 3 4 5 6
DRGl 0.187 0,207 0,196 0356 0,392 0,534 0.685
Iz prikazanih rezultata uočava se porast vrednosti udame žilavosti sa porastom vremena delovanja para acetona.
Da bi se proverio uticaj delovanja para acetona na brzinu gorenja barutnih cevčica, izvršena su i ispitivanja bizine gorenja u manometankoj bombi [5], za opitne modele DRG1 i DRG2, čiji su rezultati prikazani na slid 4.
Na opitnom modelu DRG1 izvrSena su ispitivanja brzine gorenja u realnim motorima, [6], na 20°C i 50°C, a dobijeni rezultati prikazani su na slici 5.
SI. 3 - Oijagrami sila (deformacija) - vreme tretiranja
314
V0W07HHNICKIGLASNIK V2003.
90
I 70
1
2 50
'Б
a
30
10
]
90
DRGI
а a
Д
«T-0h
ДТ-ЗН
100 200 300 400 500 600
Pritisak. bar
1 70
I 50 a
30
10
DRG2 0 о
° . A
* A A
8 s * * £ A «T-0 h 4T-3h
too 200 300 400 500 600
Pritisak, bar
SI. 4 - Dijagrami brzina gorenja - pritisak na 20*C
Analiza rezultata prikazanih u tabeii 2 i na slikama 2 i 3 ukazuje na veliki po-rast maksimalne sile (ona je istovremeno i prekidna sila), a takođe i maksimalnog izduženja (to je istovremeno i prekidno izduženje) u funkciji vremena tretiranja u parama acetona.
Rezultati ispitivanja udame žilavosti (tabela 3), ukazuju na veliki porast udar-ne žilavosti u funkciji vremena tretiranja.
Rezultati ispitivanja brzine gorenja u manometarskoj bombi (slika 4), ukazuju na smanjenje brzine gorenja kod ispiti-vanih tretiranih baruta.
Analiza rezultata ispitivanja brzine gorenja u realnim motorima (slika 5) ukazuje na smanjenje brzine gorenja kod ispitivanog tretiranog baruta. Pri ispitiva-nju brzine gorenja (kod netretiranih ba-rutnih cevčica) uočeno je izletanje iz mo*
tora dclimično sagorelih barutnih cevćica. Ova pojava nije uočena kod tretiranih barutnih cevčica. Sa slike 5 uočava se da na 50°C tretirane bamtne cevčice imaju manji eksponent u zakonu brzine gorenja (v=2,23 P0,515) u odnosu na netretirane cevčice (v=2,08 P0 541).
Ukoliko se želi da se kod postojećeg raketnog goriva ostvare bolje mehaničke osobine barutnih cevdica to će se postići po većanjem radnog pritiska ili zadižavanjem postojedeg uz duže vreme sagorevanja.
Pri izboru novog raketnog goriva po-trcbno je odabrati gorivo sa vedom brzinom gorenja, kako bi se nakon tretiranja parama acetona dobila zahtevana brzina gorenja.
Smanjenje eksponenta u zakonu brzine gorenja (za ispitivani sastav DRGI na 50°C) povoljno je sa stanoviSta pou-zdanosti raketnog motora.
200 25U 300 350 40C
Pritisak. bar
150 200 250 300 350 400 450 500 Pritisak. bar
SI. 5 - Dijagrami brzina gorenja - pritisak na 20°C г 5СЛС
VOJNOTF.HNIĆKI Gl-ASNIK 3/2003.
315
ZakJjučak
Ispitan je uticaj рага acetona na po-gonskim punjenjima u obliku barutnih cevćica. Ova ispitivanja su jasno pokaza-ia veoma značajan uticaj para acetona na mehaničke karaktcristike opitnih modela DRG, tj. da sa porastom vremena tretira-nja bamta dolazi do porasta zatezne čvr-stoće, izduženja i udame žilavosti. Tako, na primer, prekidna sila je (na 23°C) po-većana za oko 2,3 puta, a izduženje za oko 4 puta u odnosu na netretirane cevči-ce (labela 2).
Povećana zatezna čvrstoća tretiranog baiuta doprinosi boljem iskorišćenju goriva tokom sagorevanja u motoru, jer nema izle-tanja detimično sagorelih barutnih cevčica.
Na osnovu eksperimentalnih rezul-tata može se zaključiti da dolazi do ma-njih promena u brzini gorenja kao i da su brzine gorenja kod ispitivanih tretiranih DRG manje od netretiranih.
Literutura ■
11 ] Tot, L.: Islraživanjc ultcaj» đdovanja para organskih raslvaraia na mchanićkc ouibinc dvoha/nth rakctnih barula. magbtarski rsd, TMF Beograd, 1989.
(2| Tol. L.: Ispitivanja oticaja para acetona na rachanttkc osobinc dvobaznih rakctnih goriva, Vojnotchniiki gla-snik 3/2W2.280-2У7.
[3| Savkovk, M-: XIII Simpo/i;um о ckspkvjvnim ramteri-jama. Vitc/. 19»). sir. 201-207.
|4J Tot, L ; Dikk, R ; U/clac, И.: Dvobazna rakclna gori* va tretirana parama ra>tvari(a IV, TI-943.1988.
|5| Filipovk, M.: Odrcdivanjc lincamc br/inc sagorevanja i regreskmih kocficijcnala u /akonu br/inc sagoreva-nja haruta kortšćcnjcm mtnomctarskc hombe, Nrnić-nolchmčk. prcglcd. 33.1983.2,47-57.
|6| Tot, L.. Duik, R.; U/siac №.: Dvobazna raketna goriva tretirana parama rastvarača III, TI-873,1987.
316
VOJNOTHHNIČKI GlASNIK 37003,
