Xây dựng phương pháp xác định quy luật tốc độ cháy của nhiên liệu trong các quá trình làm việc không ổn định của động cơ tên lửa nhiên liệu rắn tt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ QUỐC PHÒNG

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ

MAI VĂN TÚ

XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH QUY LUẬT
TỐC ĐỘ CHÁY CỦA NHIÊN LIỆU TRONG CÁC
QUÁ TRÌNH LÀM VIỆC KHÔNG ỔN ĐỊNH CỦA
ĐỘNG CƠ TÊN LỬA NHIÊN LIỆU RẮN

Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật
Mã số: 62 52 01 01

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội, 2017


CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ - BỘ QUỐC PHÒNG

Người hướng dẫn khoa học:
1. TS. Mai Khánh
2. TS. Nguyễn Khải Hoàn

Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Thái Dũng
Học viện kỹ thuật quân sự

Phản biện 2: PGS.TS Trịnh Hồng Anh
Viện Khoa học và Công nghệ quân sự

Phản biện 3: PGS.TS Lê Anh Tuấn
Đại học Bách Khoa Hà Nội

Luận án được bảo vệ tại hội đồng chấm luận án tiến sĩ và họp tại
Viện Khoa học và Công nghệ quân sự vào hồi .....giờ, ngày....
tháng.....năm .....

Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện Viện Khoa học và Công nghệ quân sự
- Thư viện Quốc gia Việt Nam


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài luận án
Hiện nay, chúng ta thường sử dụng quy luật tốc độ cháy của nhiên liệu
rắn (NLR) được mô tả dưới dạng:
u=(u1.p+b).f(T0).g(w)
(1)
Trong đó: u - tốc độ cháy của NLR; u1 - hệ số tốc độ cháy của NLR; p - áp
suất sản phẩm cháy (SPC) trong buồng đốt động cơ; v - số mũ tốc độ
cháy; b - hằng số; T0 - nhiệt độ ban đầu của NLR; w - tốc độ chảy của SPC
trên bề mặt cháy.
Các hằng số u1, , b và các hàm số f(T0), g(w) được xác định bằng
thực nghiệm.
Ưu điểm: Quy luật (1) có dạng giải tích đơn giản nên thuận tiện trong

tính toán.
Nhược điểm: Quy luật (1) chưa mô tả được bản chất quá trình cháy là
quá trình nhiệt trong pha rắn nhiên liệu, chưa phản ánh được quá trình cháy
không ổn định của NLR nên kết quả tính toán có độ chính xác không cao;
quy luật dạng (1) không phải là tổng quát, bởi vì với cùng một loại NLR,
các hằng số u1, , b còn phụ thuộc vào hình dạng nhiên liệu và điều kiện thí
nghiệm nên cần phải thử nghiệm khá nhiều để xác định các hằng số này.
Vì vậy, nghiên cứu xây dựng phương pháp xác định chính xác hơn
quy luật tốc độ cháy của nhiên liệu có tính đến các quá trình nhiệt trong pha
rắn và các quá trình làm việc không ổn định của động cơ tên lửa nhiên liệu
rắn (ĐTR) là việc làm cần thiết, có ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn.
2. Mục tiêu của đề tài luận án
Xây dựng được phương pháp xác định quy luật tốc độ cháy của nhiên
liệu trong ĐTR.
3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của luận án là tốc độ cháy của NLR trong động
cơ tên lửa.
Phạm vi nghiên cứu:
Về lý thuyết: xây dựng phương pháp xác định quy luật tốc độ cháy
của nhiên liệu trong ĐTR trong trường hợp có sự thay đổi nhanh của áp
suất trong buồng đốt, bỏ qua hiện tượng cháy xói mòn;
Về thực nghiệm: nghiên cứu thực nghiệm trên động cơ tên lửa nhiên
liệu rắn mẫu.
4. Nội dung nghiên cứu của luận án
- Nghiên cứu mô hình vật lý, xây dựng mô hình toán học mô tả các
quá trình cháy của nhiên liệu trong ĐTR;


2

- Xây dựng phương pháp xác định quy luật tốc độ cháy của NLR trong
động cơ tên lửa thông qua các số liệu thực nghiệm của nhiên liệu trong điều
kiện cháy ổn định;
- Nghiên cứu tính toán và thử nghiệm kiểm chứng trên động cơ mẫu.
5. Bố cục của luận án
Nội dung luận án gồm: mở đầu, bốn chương và kết luận.
Chương 1- Tổng quan về quy luật tốc độ cháy của nhiên liệu rắn trong
động cơ tên lửa.
Chương 2- Mô hình vật lý và mô hình toán học quá trình cháy của
nhiên liệu rắn.
Chương 3- Xây dựng phương pháp xác định quy luật tốc độ cháy của
nhiên liệu trong các quá trình làm việc không ổn định của động cơ tên lửa
nhiên liệu rắn.
Chương 4- Một số nghiên cứu tính toán và thực nghiệm trên động cơ
mẫu.
6. Phương pháp nghiên cứu
Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với
nghiên cứu thực nghiệm.
Nghiên cứu mô hình vật lý, xây dựng mô hình toán học mô tả quá
trình cháy của NLR trong động cơ tên lửa; xây dựng phương pháp xác định
quy luật tốc độ cháy của NLR trong động cơ tên lửa; xây dựng quy luật tốc
độ cháy của nhiên liệu và tính toán các đặc trưng nhiệt động học của một số
loại động cơ tên lửa nhiên liệu rắn.
Xác định các số liệu thực nghiệm trong điều kiện cháy ổn định của
nhiên liệu rắn; nghiên cứu thực nghiệm đo đồ thị áp suất-thời gian của một
số động cơ mẫu.
7. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận án
Xây dựng được phương pháp xác định quy luật tốc độ cháy của nhiên
liệu trong các quá trình làm việc của ĐTR; kết quả nghiên cứu của luận án
là cơ sở khoa học để phân tích, lý giải một số bất thường trong các quá

trình làm việc của ĐTR.
Chính xác hóa lời giải bài toán thuật phóng trong để xác định các
tham số đặc trưng nhiệt động học của ĐTR; cung cấp thêm cơ sở khoa học
phục vụ tính toán thiết kế ĐTR.


3

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ QUY LUẬT TỐC ĐỘ CHÁY CỦA NHIÊN LIỆU
RẮN TRONG ĐỘNG CƠ TÊN LỬA
1.1. Tổng quan các quá trình cháy của nhiên liệu rắn
Sơ đồ nhiệt quá trình cháy của NLR (hình 1.1) được chia ra thành 4
vùng cháy như sau:
Vùng 1: Vùng nung nóng
trong pha rắn (bề dày l1).
Vùng 2: Vùng phản ứng hoá
học trong pha rắn (bề dày l2).
Vùng 3: Vùng chuyển hoá
hoá học thành sản phẩm cháy
ban đầu (bề dày lk).
Vùng 4: Vùng sản phẩm
cháy.
1.2. Các mô hình cháy cơ
bản của nhiên liệu rắn
- Mô hình cháy với nhiệt độ
Hình 1.1. Sơ đồ nhiệt quá trình cháy của
trên bề mặt cháy không đổi.
nhiên liệu rắn.
- Mô hình cháy với nhiệt độ trên bề mặt cháy thay đổi.

1.3. Tổng quan quá trình làm việc của động cơ tên lửa nhiên liệu rắn
1.3.1. Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của động cơ tên lửa nhiên liệu rắn
- Cấu tạo của một ĐTR gồm các bộ phận chính: buồng đốt, nhiên liệu
rắn, thiết bị mồi, loa phụt.
- Hoạt động: sau khi thuốc mồi được mồi cháy, nhiệt lượng từ sản phẩm
cháy do thuốc mồi tạo ra mồi cháy NLR, hỗn hợp sản phẩm cháy trong
buồng đốt có nhiệt độ và áp suất cao, giãn nở, chuyển động qua loa phụt
với vận tốc lớn hơn vận tốc âm thanh tạo ra lực đẩy của động cơ.
1.3.2. Các thời kỳ làm việc đặc trưng của động cơ tên lửa nhiên liệu rắn
Các thời kỳ làm việc của ĐTR gồm: thời kỳ mồi cháy; thời kỳ khởi
động động cơ; thời kỳ làm việc của động cơ; thời kỳ phụt khí tự do.
1.3.3. Quá trình cháy của nhiên liệu rắn trong động cơ tên lửa
Quá trình cháy của NLR trong ĐTR thường là quá trình cháy không ổn
định. Một số quá trình cháy không ổn định của NLR trong động cơ tên lửa
là: cháy không hoàn toàn ở áp suất thấp, cháy dao động, cháy xói mòn đây là các quá trình cháy không có lợi cần phải loại bỏ trong thiết kế ĐTR.
1.4. Tổng quan các phương pháp xác định quy luật tốc độ cháy của
nhiên liệu rắn trong động cơ tên lửa


4

1.4.1. Tổng quan các phương pháp thực nghiệm xác định quy luật tốc
độ cháy của nhiên liệu rắn
Một số phương pháp thực nghiệm xác định tốc độ cháy của NLR đang
được sử dụng hiện nay trên thế giới là: Phương pháp dập tắt nhiên liệu;
Phương pháp dùng thiết bị thể tích không đổi; Phương pháp dùng thiết bị
áp suất không đổi; Phương pháp dùng động cơ mẫu; Phương pháp sử dụng
vi cặp nhiệt; Phương pháp dùng trường điện từ; Phương pháp dùng thiết bị
siêu âm; Phương pháp dùng thiết bị vi sóng; Phương pháp chụp X-quang
thời gian thực; Phương pháp sử dụng máy đo điện dung Plasma; Phương

pháp quang học; Phương pháp Laser; Phương pháp lượng từ.
1.4.2. Tổng quan về phương pháp lý thuyết kết hợp thực nghiệm xác
định quy luật tốc độ cháy của nhiên liệu rắn trong động cơ tên lửa
Ở nước ngoài: Quy luật tốc độ cháy của NLR trong ĐTR đã được
nhiều nước nghiên cứu và hoàn thiện, tuy nhiên, do bí mật quân sự nên các
nước không công bố cũng như không chuyển giao kết quả nghiên cứu ra
nước ngoài. Đến nay, trong các tài liệu và công trình khoa học đã được
công bố chỉ trình bày hướng tiếp cận phương pháp xác định tốc độ cháy
không ổn định của nhiên liệu rắn thông qua phương trình truyền nhiệt trong
pha rắn nhiên liệu.
Ở Việt Nam: Đến nay, trong một số tài liệu chuyên nghành và công
trình nghiên cứu về ĐTR chỉ giới thiệu các thông tin được cập nhật từ các
tài liệu ở nước ngoài về hướng tiếp cận phương pháp xác định quy luật tốc
độ cháy không ổn định của NLR thông qua bài toán truyền nhiệt trong pha
rắn nhiên liệu. Chưa có tài liệu hay công trình nghiên cứu nào hệ thống hóa
và xây dựng được phương pháp xác định quy luật tốc độ cháy của nhiên
liệu trong ĐTR theo hướng tiếp cận này.
1.5. Một số công trình nghiên cứu ở Việt Nam có liên quan đến tốc độ
cháy của nhiên liệu rắn trong động cơ tên lửa
Đến nay, trong các công trình nghiên cứu về ĐTR tại Việt Nam, các
tác giả đều sử dụng quy luật tốc độ cháy của NLR được xác định bằng thực
nghiệm dưới dạng công thức (1) để tính toán động cơ.
1.6. Hướng nghiên cứu phương pháp xác định quy luật tốc độ cháy của
nhiên liệu rắn trong động cơ tên lửa
Từ các kết quả nghiên cứu tổng quan, luận án lựa chọn hướng nghiên
cứu xác định quy luật tốc độ cháy của nhiên liệu trong các quá trình làm
việc không ổn định của ĐTR trên cơ sở các phương trình truyền nhiệt và
phân hủy nhiên liệu trong pha rắn. Theo hướng nghiên cứu này, luận án xác
định một số nội dung khoa học cần giải quyết để đạt được mục tiêu đề ra là:

5

1- Xây dựng mô hình toán học (hệ phương trình cháy) các quá trình
cháy của NLR trong động cơ tên lửa;
2- Xây dựng phương pháp xác định các tham số đầu vào, các tham số
điều kiện ban đầu, xây dựng các hàm điều kiện biên, xây dựng hàm điều
kiện cháy của NLR và xây dựng phương pháp giải hệ phương trình cháy để
xác định quy luật tốc độ cháy của nhiên liệu trong ĐTR;
3- Nghiên cứu thực nghiệm xác định các số liệu phục vụ tính toán và
kiểm chứng kết quả nghiên cứu lý thuyết.
1.7. Kết luận chương 1
Quá trình làm việc của ĐTR gồm các quá trình nhiệt-lý-hóa phức tạp
xảy ra bên trong buồng đốt động cơ. Nhìn chung, các quá trình cháy của
nhiên liệu trong ĐTR là quá trình cháy không ổn định. Trong tính toán
ĐTR chúng ta thường sử dụng quy luật tốc độ cháy được xác định thông
qua thực nghiệm, quy luật tốc độ cháy thực nghiệm chưa phản ánh được
các quá trình cháy không ổn định của nhiên liệu rắn nên kết quả tính toán
các tham số nhiệt động học của ĐTR có độ chính xác chưa cao.
Xây dựng và hoàn thiện phương pháp xác định quy luật tốc độ cháy
của NLR có tính đến các quá trình cháy không ổn định của nhiên liệu nhằm
chính xác hóa lời giải bài toán thuật phóng trong, cung cấp thêm cơ sở khoa
học phục vụ tính toán thiết kế ĐTR là một nhiệm vụ khoa học cần được
nghiên cứu chuyên sâu.
Chương 2
MÔ HÌNH VẬT LÝ VÀ MÔ HÌNH TOÁN HỌC QUÁ TRÌNH CHÁY
CỦA NHIÊN LIỆU RẮN
2.1. Đặt vấn đề
Nghiên cứu mô hình vật lý, xây dựng mô hình toán học quá trình cháy
của NLR là cơ sở khoa học để xây dựng phương pháp xác định quy luật tốc

độ cháy của nhiên liệu trong ĐTR.
2.2. Một số giả thiết
- Nhiên liệu rắn đồng nhất về thành phần hóa học và tính chất vật lý;
- Chỉ tính đến dòng nhiệt truyền vào từ pha khí và nhiệt lượng sinh ra
do các phản ứng tỏa nhiệt trong pha rắn nhiên liệu là nguyên nhân làm thay
đổi trường nhiệt độ trong pha rắn nhiên liệu; không tính đến quán tính nhiệt
trong pha khí; không tính đến tác động của lực áp suất SPC làm phá vỡ các
liên kết cơ học giữa các thành phần trong NLR.
2.3. Mô hình vật lý quá trình cháy của nhiên liệu rắn
Mô hình vật lý quá trình cháy của NLR được mô tả trên hình 2.1.


6

T(x) - Trường nhiệt độ
trong pha rắn và trong
vùng SPC;
β(x) - Trường khối
lượng tương đối nhiên
liệu bị phân hủy trong
pha rắn;
u - tốc độ cháy;
TG - Nhiệt độ SPC;
TP - Nhiệt độ bắt đầu
xảy ra phản ứng phân
hủy nhiên liệu trong
pha rắn;
Hình 2.1. Mô hình cháy của nhiên liệu rắn
TS, βS - Nhiệt độ và khối lượng tương đối NLR phân hủy trên bề mặt cháy;
φ(p) - Dòng nhiệt từ SPC truyền vào pha rắn nhiên liệu.

2.4. Mô hình toán học quá trình cháy của nhiên liệu rắn
Các phương trình toán học mô tả quá trình cháy của NLR được thiết
lập trong hệ tọa độ liên kết động xOT như sau: hướng của trục Ox từ bề mặt
cháy vào trong pha rắn nhiên liệu, trục OT nằm trên bề mặt cháy nhiên liệu
và chuyển động với tốc độ cháy u theo hướng ngược trục Ox. Gọi c, ,  là
nhiệt dung riêng, khối lượng riêng, hệ số dẫn nhiệt của NLR; Q là hiệu
suất nhiệt phản ứng xảy ra trong pha rắn.Ta có:
Phương trình dẫn nhiệt trong pha rắn nhiên liệu:
T ( x, t )
T ( x, t )   2T ( x, t ) q
(2.4)
 u.

.

t

x

c.

x 2

c.

Phương trình phản ứng phân hủy nhiên liệu trong pha rắn:
 ( x, t )
 ( x, t )
 u.
 1    K T 

t
x

(2.5)

K(T) - là hệ số tốc độ phản ứng phân hủy của nhiên liệu trong pha
rắn:
E


 k0 .e R0T khi T  Tp
K (T )  
0
khi T  Tp
d  ( x, t )
q  Q. .
 Q. . 1    .K (T )
dt

Từ (2.4), (2.5), (2.7) và (2.8) ta có:

(2.7)
(2.8)


7

T ( x, t )
T ( x, t )   2T ( x, t ) Q
 t  u. x  c. . x 2  c 1    .K T 


 ( x, t )
 ( x, t )
 u.
 1    .K  T 

x
 t

E



k0 .e R0T khi T  Tp
K
(
T
)



0

khi T  Tp



(2.9)

Hệ phương trình đạo hàm riêng (2.9) gồm 3 hàm ẩm T(x,t), β(x,t), u(t).

- Điều kiện ban đầu cho các phương trình của hệ (2.9):
Tại thời điểm t=0 ta có:  ( x, t ) t  0  0  x 

T ( x, t ) t  0  T0  x 

Đối với các giá trị x mà T0(x) < TP ta có β(x) =0.
- Điều kiện biên thứ nhất:   p    T  x, t     p  . T  T 
G
S
x

(2.10)

(2.11)

x 0

Trong đó: TS  T ( x, t ) x 0 - nhiệt độ trên bề mặt cháy; α(p) - hệ số truyền
nhiệt từ SPC đến bề mặt cháy; TG, p - nhiệt độ và áp suất SPC; φ(p) - dòng
nhiệt từ SPC truyền vào pha rắn nhiên liệu.
- Điều kiện biên thứ hai: khi bề dày cháy của nhiên liệu rắn e1 là đủ
lớn ta có:
T ( x, t )
(2.12)
x

0

xe1

- Điều kiện cháy:
 
h T(x, t) 
h (x, t) 

AT(x, t)  2 . x   B (x, t)  2 . x     p khi u  0
x0 
x0
 

h

T
(
x
,
t
)
h


(
x
,
t
)





A T(x, t)  .
  B (x, t)  .
    p khi u  0
 
2 x x0 
2 x x0

(2.13)

Trong đó: θ(p)- hàm phụ thuộc vào áp suất p của sản phẩm cháy;
h - bề dày lớp mỏng nhiên liệu nằm sát bề mặt cháy.
Giải hệ phương trình (2.9) ta nhận được các hàm T(x,t), β(x,t) và u(t).
Hệ phương trình vi phân đạo hàm riêng (2.9) có thể giải được bằng phương
pháp sai phân hữu hạn trên máy tính điện tử. Để giải được hệ này ta phải
biết các hàm và hằng số: φ(p), θ(p), p(t), T0(x), β0(x), k0, E, Tp, c, , γ, Q.
2.5. Phương pháp xác định dòng nhiệt φ và hệ số truyền nhiệt α trong
điều kiện cháy ổn định của nhiên liệu rắn
Khi nhiên liệu cháy trong điều kiện cháy ổn định ta có
 ( x, t )
T ( x, t )
 0;
 0 và u = const, hệ phương trình (2.9) trở thành:
t

t


8

 dT

 d 2T Q

. 2  1    .K T   0
u.
c
 dx c . dx
 d
 1    .K  T   0
u.
 dx

E



 k 0 .e R0T khi T  T p
 K (T )  
 0

khi T  T p


(2.15)

Qua các biến đổi toán học ta được:
.

dT
 u.c. . T  T0   Q. .u.  0
dx

(2.18)

- Mối quan hệ giữa tốc độ cháy và các tham số trên bề mặt cháy
nhiên liệu:
(2.19)
  p     p  . TG  TS   u.c. . TS  T0   Q. .u. S
- Mối quan hệ giữa tốc độ cháy và các tham số T, β:
d  1 . 1    .K  T 
 .
Q. 
dT u 2

c. .  T  T0 
c 


(2.22)

Điều kiện đầu của (2.22): khi T= TP ta có β=0.
Phương pháp xác định giá trị các tham số vùng cháy của NLR trong
điều kiện cháy ổn định: Giả sử với nhiệt độ ban đầu của nhiên liệu T0, ta
xác định được m bộ số liệu thực nghiệm (pj, uj, TSj, TGj) j =1..m trong điều
kiện cháy ổn định. Với mỗi bộ số liệu (pj, uj, TSj),lấy tích phân (2.22) bằng
phương pháp Runge-Kutta với điều kiện đầu khi T= TP ta có β=0 và với
khoảng xác định nhiệt độ T[TP, TSj] ta được các giá trị βSj=β(TSj), từ đó
xác định được các giá trị dòng nhiệt φj=φ(pj) theo công thức (2.19). Thay
các giá trị φj, TGj, TSj tương ứng vào (2.11) ta xác định được αj=α(pj).
Sau đó giải hệ (2.15) bằng phương pháp Runge-Kutta cho các hàm
chưa biết Tj(x) và βj(x) với các điều kiện đầu:


khi x=0:   j ( x ) x 0   (TSj )

T j ( x ) x 0  TSj

ta được các phân bố Tj(x) và j(x) trong pha rắn nhiên liệu. Qua đó ta xác
định được các giá trị TSj và Sj của lớp NLR trên bề mặt cháy.
Từ các số liệu thực nghiệm và kết quả giải hệ phương trình cháy ổn
định của NLR ta xác định được giá trị các tham số vùng cháy u, TS, TG, βS,
φ, α của NLR trong điều kiện cháy ổn định.


9

2.6. Phương pháp giải hệ phương trình cháy của nhiên liệu rắn trong
điều kiện cháy không ổn định
Hệ phương trình truyền nhiệt và phân hủy (mô tả quá trình cháy
không ổn định) của NLR trong ĐTR có dạng:
 T ( x, t )  2T ( x, t ) Q
 E

 .
 1    .k0.e R0T
2
c.
x
c
 t

E


  ( x, t )
 1   .k0.e R0T

 t

(2.24)

Hệ phương trình (2.24) giải được bằng phương pháp sai phân hữu hạn
với sự trợ giúp của máy tính điện tử.
2.7. Xây dựng thuật toán xác định tốc độ cháy của nhiên liệu rắn trong
điều kiện cháy không ổn định
Bắt đầu
Nhập các tham số đầu vào:
φ(p), θ(p, TS, βS), p0, T0(x), β0(x), k0, E0, Tp, c, , γ, Q, n, e1,
tg=0, Δt1=0, Δx=ei/n, Δt=const

tg=tg+Δt; p=p(t)

Hình 2.4. Lưu
đồ thuật toán
tổng quát xác
định tốc độ
cháy
của
nhiên liệu rắn
trong
các
điều
kiện

cháy không
ổn định.

DN_fi(p)

u=0

TND_TB(x,t)
θ=DKC[T(1,j), β(1,j)]

Δt1=Δt1+Δt
T(i,j)=T(i+1,j)
β(i,j)=β(i+1,j)
Δt1=0; n=n-1

θ≥a

S

Đ

u=Δx/Δt1
S

n≤0
Đ
u=0

Kết thúc

Lưu đồ thuật toán tổng quát xác định tốc độ cháy của NLR trong điều
kiện cháy không ổn định trên hình 2.4. Trong đó: DN_fi(p) là tên thủ tục


10

xác định quy luật truyền nhiệt từ sản phẩm cháy vào pha rắn nhiên liệu;
TND_TB(x,t) là thủ tục xác định trường nhiệt độ T(x,t) và trường khối
lượng tương đối nhiên liệu phân hủy β(x,t) trong pha rắn;
DKC[T(i,j), β(i,j)] là thủ tục xác định điều kiện cháy của NLR.
2.8. Kết luận chương 2
Quá trình cháy của NLR là các quá trình phản ứng hóa học xảy ra trên
một lớp bề mặt của nhiên liệu khi thỏa mãn điều kiện cháy xác định và phụ
thuộc chính vào nhiệt độ của nhiên liệu. Trường nhiệt độ trong NLR quyết
định đến thời gian thực hiện điều kiện cháy - tức là quyết định đến tốc độ
cháy của nhiên liệu. Từ hệ phương trình toán học quá trình cháy của NLR,
chúng ta có thể xác định được quy luật tốc độ cháy của nhiên liệu trong
điều kiện cháy không ổn định khi có đủ các số liệu đầu vào, điều kiện ban
đầu, điều kiện biên và điều kiện cháy của nhiên liệu.
Chương 3
XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH QUY LUẬT TỐC ĐỘ
CHÁY CỦA NHIÊN LIỆU TRONG CÁC QUÁ TRÌNH LÀM VIỆC
KHÔNG ỔN ĐỊNH CỦA ĐỘNG CƠ TÊN LỬA NHIÊN LIỆU RẮN
3.1. Đặt vấn đề
Chương 2 luận án đã thiết lập và đưa ra phương pháp giải hệ phương
trình cháy không ổn định để xác định tốc độ cháy của NLR. Sau đây luận
án sẽ trình bày phương pháp xác định quy luật tốc độ cháy của nhiên liệu
trong các quá trình làm việc không ổn định của ĐTR. Kết quả nghiên cứu
lý thuyết được áp dụng để xác định quy luật tốc độ cháy của nhiên liệu rắn
RSI-12M trong động cơ tên lửa.

3.2. Thành phần và các đặc trưng hóa-lý của nhiên liệu rắn
Bảng 3.2. Một số đặc trưng vật lý của nhiên liệu rắn RSI-12M
TT
1
2
3
4
5
6
7
8

Tên tham số, ký hiệu
Khối lượng riêng, 
Nhiệt dung riêng, c
Hiệu suất nhiệt của phản ứng trong
pha rắn, Q
Nhiệt độ bắt đầu xảy ra các phản
ứng phân hủy trong pha rắn, Tp
Năng lượng hoạt hoá, E
Hằng số khí sản phẩm cháy, R0
Hệ số tốc độ phản ứng trong pha
rắn, k0
Hệ số dẫn nhiệt phụ thuộc nhiệt độ
của nhiên liệu, =(T)

Đơn vị
3

Giá trị

kg/m
J/(kg.K

1580
1466

J/kg

1067340

K

500

J/mol
J/(kg.K)

113043
335

1/s

3,298.1011

J/(m.s.K)

0,45.10-3 + 3,3.10-6.(T-273)

11

3.3. Xác định các tham số vùng cháy của nhiên liệu rắn trong điều kiện
cháy ổn định
3.3.1. Các số liệu thực nghiệm đo tốc độ cháy và nhiệt độ trên bề mặt
cháy của nhiên liệu rắn trong điều kiện cháy ổn định
Bảng 3.3. Một số giá trị thực nghiệm tốc độ cháy của nhiên liệu rắn RSI-12M và nhiệt độ trên bề
mặt cháy của nhiên liệu rắn H trong điều kiện cháy ổn định với nhiệt độ ban đầu T0=293 K.

TT

p (at)

u (mm/s)

TS (K)

(1)

(2)

(3)

(4)

1

30

2

40

3

50

4

60

5

75

643
6,5
673
7,8
698

6

80

9,2

7

100

10,4

718

3.3.2. Xây dựng quy luật thực nghiệm tốc độ cháy và nhiệt độ trên bề
mặt cháy của nhiên liệu rắn trong điều kiện cháy ổn định
Quy luật tốc độ cháy của NLR trong điều kiện cháy ổn định được xác
định bằng xấp xỉ hàm toán học thông qua các số liệu thực nghiệm. Từ các
số liệu thực nghiệm trong bảng 3.3, bằng cách xấp xỉ hàm ta xác định được
quy luật tốc độ cháy của nhiên liệu rắn RSI-12M trong điều kiện cháy ổn
định là:
u293=9,631.10-6. p0,5160
(3.3)
Tương tự, ta xác định được quy luật thay đổi nhiệt độ trên bề mặt cháy
của nhiên liệu rắn RSI-12M trong điều kiện cháy ổn định là:
TS293 =439,4454.p0,1086
(3.5)
3.3.3. Tính toán xác định các tham số TG, βS, φ, α và các phân bố T(x),
β(x) của nhiên liệu rắn trong điều kiện cháy ổn định
- Nhiệt độ sản phẩm cháy của NLR trong điều kiện cháy ổn định được
xác định bằng phần mềm ASTRA.
- Giải các phương trình cháy ổn định của NLR theo mục 2.5 của
chương 2 luận án ta xác định được các số tham số βS, φ, α,T(x), β(x).
Tính toán đối với nhiên liệu rắn RSI-12M theo các số liệu trong cột
(2), (3), (4), (5) của bảng 3.4 ta xác định được giá trị các tham số vùng cháy
của nhiên liệu RSI-12M trong các cột (6), (7), (8) của bảng 3.4. Các đồ thị
T(x) và đồ thị (x) được thể hiện trên hình 3.2.

12

Hình 3.2. Phân

bố nhiệt độ và
phân bố khối
lượng tương đối
nhiên liệu phân
hủy trong pha
rắn của nhiên
liệu
RSI-12M
trong các điều
kiện cháy ổn
định với áp suất
khác nhau
Bảng 3.4. Kết quả tính toán một số tham số vùng cháy của nhiên liệu rắn RSI-12M
trong một số điều kiện cháy ổn định với nhiệt độ ban đầu T0=293 K.
(1)

p
(105 Pa)
(2)

u
(10-3 m/s)
(3)

1
2

3
4
5
6
7

20
30
50
75
100
125
175

4,5056
5,5519
7,2227
8,9000
10,3214
11,5784
13,7692

TT

TS (K)
(4)

615,3951
639,9031
672,1736

698,9428
718,5799
734,1907
758,3735

TG (K)

s

(5)

(6)

2187,31
2187,63
2188,18
2188,93
2189,80
2190,83
2193,29

0,1053
0,1453
0,1897
0,2113
0,2180
0,2180
0,2185

φi

(J/s)
(7)

2586463,266
3147199,737
4150436,345
5425021,982
6471031,452
7299339,446
8817492,287

αi
(J/s.K)
(8)

1646,957
2037,471
2749,799
3668,207
4411,816
4980,682
6034,212

3.4. Xây dựng phương pháp xác định quy luật tốc độ cháy của nhiên
liệu trong các quá trình làm việc không ổn định của động cơ tên lửa
nhiên liệu rắn
3.4.1. Phương pháp xác định quy luật truyền nhiệt từ sản phẩm cháy
vào pha rắn nhiên liệu
Dòng nhiệt từ SPC truyền vào pha rắn nhiên liệu (2.11) trong động cơ
tên lửa là hàm phụ thuộc áp suất SPC dưới dạng:

φ=φ(p)=α(p).(TG-TS)
Hệ số α(p) có thể xây dựng dưới dạng:
α=α(p)=α1.p
(3.6)
Từ các giá trị α trong cột (8) của bảng 3.4, ta xấp xỉ được công thức
(3.6), sau đó thay vào công thức dòng nhiệt (2.11) ta được quy luật truyền
nhiệt từ sản phẩm cháy vào pha rắn nhiên liệu RSI-12M trong ĐTR là:
φ = 258,0762.p0,6122.(TG - TS)
(3.8)


13

3.4.2. Phương pháp xác định điều kiện cháy của nhiên liệu rắn
Biểu thức hàm điều kiện cháy đối với lớp mỏng nhiên liệu trên bề
mặt cháy có bề dày Δx phải có dạng (3.9) như sau:
θ(TS, βS) = a
(3.9)
Trong đó a là hằng số, a ± 0.
Trên cơ sở xử lý các số liệu TS và βS trong điều kiện cháy ổn định của
nhiên liệu rắn RSI-12M trong bảng 3.4 chúng ta thấy, giá trị các tham số
này tuân theo quy luật dạng (3.11) như sau:
TS + a1.βS3 = a
(3.10)
Xấp xỉ gần đúng biểu thức (3.10) với các số liệu trong bảng 3.4 ta
được biểu thức điều kiện cháy của nhiên liệu rắn RSI-12M là:
(3.14)
TS  11926. S3  600,54
3.4.3. Phương pháp xác định áp suất và nhiệt độ sản phẩm cháy trong
các quá trình làm việc của động cơ tên lửa nhiên liệu rắn

3.4.3.1. Hệ phương trình thuật phóng trong của động cơ tên lửa nhiên
liệu rắn
Giải hệ phương trình thuật phóng trong ta có thể xác định được các
tham số áp suất p(t) và nhiệt độ sản phẩm cháy T(t) của ĐTR. Hệ phương
trình thuật phóng trong tổng quát của ĐTR mà sản phẩm cháy của các
thành phần nhiên liệu không có phản ứng hóa học với nhau là:

0 khi t  t
ibd


deci
Gi  Si iui ;
 ui (t)i ; i  1 khi tibd  t  tikt
dt



0 khi t  tikt ; tikt  t

2 K0 (k)Fth p dm n1

S

S
(
e
);
G


;
 Gi  G
i
i
ci

dt i1
RT

 d (mq )
0 khi t  tbd

i
 dt  Gi  qiG ;   1 khi t  t ; t  t
bd bd
p pmn


 dq
n1
n1
n1
dW
m i  Gi  qi Gi ; qn  qi  1;
 Siui
dt i1
 dt
i 1
i 1
 dT n1

dQ
mRT
mcv
 Gc
; p
i vi (Tvi  T )  RTG 
dt
dt
W

i1

n
n
n
c
cv  qicvi ; cp  qicpi ; R  qi Ri ; k  p

cv
i 1
i 1
i 1

eci e1i

(3.32)


14

3.4.3.2. Phương pháp giải hệ phương trình thuật phóng trong
Hệ phương trình (3.32) giải được bằng phương pháp Runge-Kutta trên
máy tính điện tử. Lưu đồ thuật toán giải hệ phương trình (3.32) được thể
hiện trên hình 3.3, tên từ khóa của chương trình là [Sol_PTTPT(u)].
Bắt đầu
Nhập các số liệu vào:
p0, pmn, W0, Fth, e1i, ui,γi, cvi, cpi,Tvi,
φ2,K0, k, Δt, tibd

Hình 3.3. Lưu
đồ thuật toán
tổng quát giải
hệ
phương
trình
thuật
phóng trong
của động cơ
tên lửa nhiên
liệu rắn

t=0
S
ui=ui(t)

eci ≥ e1i

Đ

ui=0

Runge-Kutta hệ (3.32)

p(t), T(t)

p ≥ p0

Đ

t=t+Δt

S
p=p(t), T=T(t)
Kết thúc

3.4.4. Phương pháp xác định quy luật tốc độ cháy của nhiên liệu trong các
quá trình làm việc không ổn định của động cơ tên lửa nhiên liệu rắn
Các bước xác định quy luật tốc độ cháy của nhiên liệu trong ĐTR:
Bước 1: Xác định các đặc trưng hóa-lý của các thành phần nhiên liệu
rắn trong liều phóng của ĐTR: c, Q, Tp, E, k0, , , R, k, Tv, T0, β0.
Bước 2: Xác định các giá trị thực nghiệm tốc độ cháy và nhiệt độ trên
bề mặt cháy của NLR trong điều kiện cháy ổn định. Xây dựng quy luật
u= u(p) và TS = TS(p) của NLR trong điều kiện cháy ổn định.
Bước 3: Tính toán xác định các tham số vùng cháy của NLR trong
điều kiện cháy ổn định: tính toán nhiệt độ TG của NLR bằng phần mềm
ASTRA; giải phương trình cháy ổn định để xác định phân bố T(x), phân bố
β(x) trong pha rắn của nhiên liệu và các giá trị hàm dòng nhiệt φ và α.


15

Bước 4: Xây dựng quy luật truyền nhiệt từ sản phẩm cháy vào pha rắn
nhiên liệu φ(p) và biểu thức điều kiện cháy của nhiên liệu θ(TS, βS).
Bước 5: Giải kết hợp hệ phương trình cháy không ổn định của NLR và
hệ phương trình thuật phóng trong của ĐTR để xác định quy luật tốc độ
cháy của nhiên liệu.
Lưu đồ thuật toán tổng quát xác định quy luật tốc độ cháy của nhiên
liệu trong các quá trình làm việc không ổn định của ĐTR trên hình 3.4.
Bắt đầu
Nhập các số liệu vào:
φ(p), θ(p, TS, βS),T0(x), β0(x), k0, E0, Tp, ci, i, γi, Qi, e1i, cvi,
cpi,Tvi, p0, pmn, W0, Fth, φ2, K0, Δx, Δt, tg=0, Δt1=0

tg=tg+Δt
Sol_PTTPT(u)
DN_fi(p)
u=0

TND_TB(x,t)
θ=DKC[T(1,j), β(1,j)]

T(i,j)=T(i+1,j)
β(i,j)=β(i+1,j)
Δt1=0; n=n-1

Δt1=Δt1+Δt

θ≥a

S

Đ
u=Δx/Δt1
S

n≤0
Đ
u=0
Kết thúc

Hình 3.4. Lưu đồ thuật toán tổng quát xác định quy luật tốc độ cháy của nhiên liệu
trong các quá trình làm việc không ổn định của ĐTR


16

3.5. Kết luận chương 3
Để xác định quy luật tốc độ cháy của NLR trong động cơ tên lửa ta
phải xác định được các tham số đầu vào, các điều kiện biên, điều kiện cháy
và xây dựng thuật toán giải hệ phương trình cháy không ổn định NLR. Các
tham số đầu vào, điều kiện biên và điều kiện cháy có thể xác định thông
qua các số liệu thực nghiệm trong điều kiện cháy ổn định của NLR. Trong
đó, hàm dòng nhiệt truyền từ sản phẩm cháy vào pha rắn và hàm điều kiện
cháy của nhiên liệu được xấp xỉ gần đúng từ các số liệu trong điều kiện
cháy ổn định của nhiên liệu. Khi đã xác định đầy đủ các tham số đầu vào,
điều kiện ban đầu, điều kiện biên và điều kiện cháy, giải kết hợp hệ phương
trình cháy không ổn định của NLR và hệ phương trình thuật phóng trong
bằng phương pháp số ta sẽ xác định được quy luật tốc độ cháy của nhiên
liệu trong các quá trình làm việc không ổn định của ĐTR, quy luật này
được mô tả dưới dạng đồ thị hoặc bảng số liệu.

Chương 4
MỘT SỐ NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN VÀ THỰC NGHIỆM TRÊN
ĐỘNG CƠ MẪU
4.1. Đặt vấn đề
Để tính toán áp suất làm việc của động cơ, chúng ta có thể sử dụng quy luật
tốc độ cháy thực nghiệm và quy luật tốc độ cháy của nhiên liệu được xác định
theo phương pháp của luận án. Các kết quả tính toán áp suất ĐTR được so sánh
đánh giá với kết quả đo đạc thực nghiệm để kiểm chứng độ chính xác của nghiên
cứu lý thuyết. Dưới đây là một số nghiên cứu, tính toán và thực nghiệm đối với
02 động cơ mẫu sử dụng nhiên liệu rắn RSI-12M.
Bảng 4.1. Một số đặc trưng vật lý và tốc độ cháy của một số loại thuốc hỏa thuật
và nhiên liệu rắn.
TT

Tham số, ký hiệu

1
2
3

Khối lượng riêng, γ
Nhiệt dung riêng, c
Hằng số khí sản phẩm
cháy, R
Chỉ số mũ đoạn nhiệt
sản phẩm cháy, k
Nhiệt độ cháy đẳng
tích, Tcv
Quy luật tốc độ cháy
ổn định, u

4
5
6

Đơn
vị
kg/m3
J/kg.K
J/kg.K

1650
1217
128

Thỏi thuốc hoả
thuật
1700
1254
223

Nhiên liệu
RSI-12M
1580
1466
335

1,185

1,218

1,252

K

1900

2100

2925

m/s

0,04.10-3.p0,42

0,052.10-3.p0,25

Theo công
thức (3.3)

Thuốc mồi


17

4.2. Nghiên cứu tính toán các đặc trưng nhiệt động học của động cơ
mẫu ĐC-01
4.2.1. Cấu tạo của động cơ mẫu ĐC-01
Cấu tạo của động cơ mẫu ĐC-01như trên hình 4.1.
1- Nắp đầu; 2- Thiết bị

mồi; 3- Vỏ động cơ; 4Thỏi nhiên liệu rắn RSI12M; 5- Đế chắn thuốc;
6- Vị trí lắp đầu đo áp
suất; 7- Khối loa phụt;
8- Nắp bịt loa phụt.

Hình 4.1. Nguyên lý cấu tạo của động cơ ĐC-01

Các thông số đặc trưng cơ bản của động cơ ĐC-01 như sau:
1- Các thông số buồng đốt:
W0 = 0,001214725 (m3); Wtd0 = 0,00044567 (m3); dth = 0,0165 (m);
pmn = 15.105 (Pa); F = 0,08087 (m2); α =30 (J/kg.K.m2); φ=0,93.
2- Các thông số liều phóng:
- Thuốc mồi: theo bảng 4.1 và m1= 0,0065 (kg), 2e11 = 0,0005 (m).
- Thỏi nhiên liệu rắn RSI-12M có dạng hình ống một lỗ: Dn = 0,064 (m);
dt=0,0175 (m); L= 0,25 (m); e12 = 0,011625 (m).
4.2.2. Tính toán các đặc trưng nhiệt động học của động cơ mẫu ĐC-01
4.2.2.1. Hệ phương trình thuật phóng trong của động cơ mẫu ĐC-01
Động cơ ĐC-01 có 2 thành phần nhiên liệu. Hệ phương trình thuật
phóng trong đối với động cơ ĐC-01 được triển khai từ hệ (3.32) với n = 3.
4.2.2.2. Kết quả tính toán các đặc trưng nhiệt động của động cơ ĐC-01
Quan hÖ ¸p suÊt vµ tèc ®é ch¸y cña NLR RSI-12M trong ®éng c¬ §C-01 theo thêi gian

80

40

75
70

35

65

¸p suÊt
Tèc ®é ch¸y

60

30

55
45
40

20

35
30

15

25
20

10

15
10

5

5
0

0
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5

t [s]

u [m m /s ]

25

p [x 1 0 5 P a]

50

Hình 4.3. Đồ thị
quan hệ áp suất
và tốc độ cháy
của nhiên liệu
RSI-12M trong
buồng đốt động
cơ ĐC-01 theo
thời gian khi sử
dụng quy luật tốc
độ cháy của
nhiên liệu rắn
RSI-12M
theo

công thức (3.3)


18

80

40

75
70

35

¸p suÊt
Tèc ®é ch¸y

65
60

30

55
25

45
40

20

35
30

15

25
20

10

15
10
5
0

5

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9

t [s]

0
2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5

u [m m /s ]

p [x 10 5 P a]

50

Hình 4.4. Đồ thị
quan hệ áp suất
và tốc độ cháy
của nhiên liệu
RSI-12M
trong
buồng đốt động
cơ ĐC-01 theo
thời gian khi sử
dụng quy luật tốc
độ cháy của nhiên
liệu rắn RSI-12M
theo phương pháp
của luận án

4.3. Nghiên cứu tính toán các đặc trưng nhiệt động học của động cơ
mẫu ĐC-02
4.3.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ mẫu ĐC-02
Cấu tạo của động cơ mẫu ĐC-02 như trên hình 4.5.
1- Nắp đầu; 2- Cụm thỏi
thuốc hỏa thuật; 3- Bộ
mồi; 4- Thỏi nhiên liệu
RSI-12M; 5- Lớp chống
cháy; 6- Đệm; 7- Bảo vệ
nhiệt động cơ; 8- Vỏ
động cơ; 9-Vị trí lắp đầu
đo áp suất; 10-Khối loa
phụt; 11- Nắp bịt loa
phụt; 12-Nắp đáy; 13Đế đỡ.

Hình 4.5. Nguyên lý cấu tạo của động cơ mẫu ĐC-02

- Các thông số buồng đốt: W0 = 0,004625706 (m3); Wtd0 = 0,001615967 (m3);
dth = 0,023 (m); pmn = 8.105 (Pa); F = 0,2674 (m2); α =30 (J/(m2.s.K); φ=0,93.
- Các thông số thuốc mồi: như mục 4.2.1 và m1= 0,0258 (kg).
- Các thông số thỏi nhiên liệu rắn RSI-12M: thỏi nhiên liệu rắn RSI-12M
hình ống một lỗ, được bọc chống cháy mặt trụ ngoài với: Dn = 0,1025 (m);
dt=0,0275 (m); L= 0,12 (m); e12 = 0,0375 (m).
- Các thông số của thỏi thuốc hỏa thuật: thỏi thuốc hình trụ, cháy từ mặt
đầu, đường kính d=0,003 (m); các đặc trưng theo bảng 4.1; e13 = 0,062 (m).
4.3.2. Hệ phương trình thuật phóng trong của động cơ mẫu ĐC-02
Động cơ ĐC-02 có 3 thành phần nhiên liệu. Hệ phương trình thuật
phóng trong đối với động cơ ĐC-02 được triển khai từ hệ (3.32) với n = 4.


19

4.3.3. Kết quả tính toán các đặc trưng nhiệt động của động cơ ĐC-02
30

30

27
25

24

¸p suÊt
Tèc ®é ch¸y

20

18
15

15

u [mm /s]

p [x10 5 P a]

21

12
10

9
6

5

3
0

0
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 9.5 10 10.5 11 11.5 12 12.5 13 13.5 14

t [s]
30

30

27
25

24

¸p suÊt
Tèc ®é ch¸y
20

18
15

15

12
10

9
6

5

3
0

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

t [s]

5.5

6

6.5

7

7.5

8

8.5

9

9.5

0
10

u [mm /s]

p [x105 Pa]

21

Hình 4.9. Đồ thị quan
hệ áp suất và tốc độ
cháy của nhiên liệu
RSI-12M trong buồng
đốt động cơ ĐC-02
theo thời gian khi sử
dụng quy luật tốc độ
cháy của nhiên liệu
rắn RSI-12M theo
công thức (3.3)
Hình 4.10. Đồ thị
quan hệ áp suất và

tốc độ cháy của nhiên
liệu RSI-12M trong
buồng đốt động cơ
ĐC-02 theo thời gian
khi sử dụng quy luật
tốc độ cháy của nhiên
liệu rắn RSI-12M
theo phương pháp
của luận án

4.4. Nghiên cứu thực nghiệm
4.4.1. Mục đích, yêu cầu và động cơ mẫu thử nghiệm
- Mục đích thực nghiệm: thử nghiệm đo đồ thị áp suất - thời gian của
các động cơ mẫu tại trường bắn; trên cơ sở kết quả đo đạc thực nghiệm, so
sánh đánh giá, kiểm chứng độ chính xác các kết quả tính toán lý thuyết.
- Yêu cầu thực nghiệm: các số liệu thực nghiệm phải đảm bảo chính
xác, trung thực.
- Động cơ mẫu thử nghiệm: các động cơ mẫu ĐC-01, ĐC-02 được
nghiên cứu chế tạo với sự hỗ trợ của đề tài nghiên cứu khoa học cấp BQP.
4.4.2. Hệ thống thiết bị đo
Hệ thống thiết bị đo trong thử nghiệm động cơ mẫu gồm: hệ thống đo
đa năng DEWE-5000; cảm biến đo áp suất; cáp tín hiệu; giá đo động cơ.
4.4.3. Tổ chức thực nghiệm và kết quả đo
4.4.3.1. Tổ chức thực nghiệm tại trường bắn
Thực nghiệm được tiến hành tại Trường bắn Hòa Thạch, Bộ Tư lệnh
Thủ đô Hà Nội; nhiệt độ môi trường: 200 C đến 26 0 C; độ ẩm môi trường:


20

60 % đến 80 %; sơ đồ lắp đặt thử nghiệm tại trường bắn trên hình 4.16
1- Hệ thống đo đa năng
DEWE-5000; 2- Cáp tín
hiệu; 3- Cảm biến đo áp
suất; 4- Động cơ thử
nghiệm; 5- Giá đo động cơ .

Hình 4.16. Sơ đồ lắp đặt động cơ mẫu và hệ thống thiết bị đo tại trường bắn

Hình 4.19. Động cơ ĐC-01 đang
làm việc

Hình 4.21. Động cơ ĐC-02 đang làm việc

4.4.3.2. Xử lý kết quả đo áp suất động cơ mẫu
§å THÞ ¸p suÊt
b ar
70

60

50

40

30

20

10

0
12.5

13. 0

13.5

14. 0
s

AP

Ch ann el:AP

Hình 4.22. Kết quả đo đồ thị áp suất-thời gian của động cơ mẫu ĐC-01
§å THÞ ¸p suÊt
bar
20.000

15.000

10.000

5.000

0.000
33.000

34.000

35.000

36.000

37.000

38.000

39.000

40.000

41.000
s

AP

Hình 4.23. Kết quả đo đồ thị áp suất-thời gian của động cơ mẫu ĐC-02


21

4.5. Tổng hợp và đánh giá kết quả tính toán với kết quả thực nghiệm
4.5.1. Tổng hợp, so sánh kết quả tính toán và thực nghiệm
Một số tham số đặc trưng được đánh giá so sánh giữa kết quả tính
toán lý thuyết với kết quả đo đạc thực nghiệm của các động cơ mẫu ĐC-01
và ĐC-02 là: thời gian làm việc Δt (s); xung lượng áp suất IP (Pa.s); áp suất
lớn nhất pmax (Pa); áp suất nhỏ nhất pmin (Pa); tốc độ biến thiên trung bình
của áp suất theo thời gian p  pmax  pmin (Pa/s).

t

t

Các số liệu tính toán và đo đạc thực nghiệm sau khi xử lý, so sánh
được tổng hợp trong các bảng 4.3 và bảng 4.4.
Bảng 4.3. Tổng hợp và đánh giá một số đặc trưng áp suất làm việc của động cơ
mẫu ĐC-01 theo tính toán và đo đạc thực nghiệm.

Quá
trình
làm việc
của
động cơ

Toàn bộ
thời
gian làm
việc của
động cơ
Quá
trình
mồi
cháy và
khởi
động
động cơ

Quá
trình

động cơ
làm việc

Tham số
(đơn vị tính)

Δt (s)
Ip (105 Pa.s)
pmax (105 Pa)
pmin (105 Pa)

Kết quả tính toán lý
thuyết khi sử dụng
quy luật tốc độ cháy
của nhiên liệu rắn
RSI-12M
Theo
Theo
công
phương
thức
pháp của
(3.3)
luận án
2,042
2,038
89,149
83,274
72,257
67,049

1,000
1,000

Kết quả
đo đạc
thực
nghiệm

1,900
79,310
60,590
1,000

Sai số theo tính toán
so với đo đạc thực
nghiệm (%)
Theo
công
thức
(3.3)
7,474
12,406
19,256

Theo
phương
pháp của
luận án
7,263
4,998

10,660

p 5
(10 Pa / s)
t

34,896

32,409

31,363

11,263

3,334

Δt (s)
Ip (105 Pa.s)
pmax (105 Pa)
pmin (105 Pa)

0,256
14,252
72,257
1,000

0,256
13,174
67,049
1,000

0,256
12,080
60,590
1,000

17,980
19,256

9,056
10,660

p 5
(10 Pa / s)
t

278,348

258,004

232,773

19,579

10,839

Δt (s)
Ip (105 Pa.s)
pmax (105 Pa)
pmin (105 Pa)

1,390
72,216
67,360
42,309

1,390
69,673
65,803
41,212

1,390
63,800
60,250
37,230

13,191
11,801
13,642

9,205
10,378
10,696

p 5
(10 Pa / s)
t

18,022

17,692

16,561

8,823

6,825


22

Bảng 4.4. Tổng hợp và đánh giá một số đặc trưng áp suất làm việc của động cơ
mẫu ĐC-02 theo tính toán và đo đạc thực nghiệm.

Quá
trình
làm việc
của
động cơ

Toàn bộ
thời
gian làm
việc của
động cơ
Quá
trình
mồi
cháy và
khởi

động
động cơ

Quá
trình
động cơ
làm việc

Tham số
(đơn vị tính)

Δt (s)
Ip (105 Pa.s)
pmax (105 Pa)
pmin (105 Pa)

Kết quả tính toán lý
thuyết khi sử dụng
quy luật tốc độ cháy
của nhiên liệu rắn
RSI-12M
Theo
Theo
công
phương
thức
pháp của
(3.3)
luận án
12,069

9,590
139,487
135,007
20,455
19,120
1,000
1,000

Kết quả
đo đạc
thực
nghiệm

9,320
123,370
18,420
1,000

Sai số theo tính toán
so với đo đạc thực
nghiệm (%)

Theo
công
thức
(3.3)
29,496
13,064
11,048

Theo
phương
pháp của
luận án
2,897
9,433
3,800

p 5
(10 Pa / s)
t

1,612

1,889

1,869

13,756

1,090

Δt (s)
Ip (105 Pa.s)
pmax (105 Pa)
pmin (105 Pa)

0,637
9,396
20,455

1,000

0,637
8,879
19,120
1,000

0,637
8,400
18,420
1,000

11,857
11,048

5,702
3,800

p 5
(10 Pa / s)
t

30,542

28,446

27,347

11,682

4,018

Δt (s)
Ip (105 Pa.s)
pmax (105 Pa)
pmin (105 Pa)

7,848
101,806
14,281
9,572

7,848
112,377
17,936
9,214

7,848
108,284
16,844
9,035

5,982
15,216
5,944

3,780
6,483
1,981

p 5
(10 Pa / s)
t

0,600

1,111

0,995

39,698

11,692

4.5.2. Đánh giá kết quả tính toán lý thyết với kết quả đo đạc thực
nghiệm
- Kết quả tính toán các tham số đặc trưng áp suất của các động cơ khi
sử dụng quy luật tốc độ cháy của nhiên liệu rắn RSI-12M theo phương
pháp của luận án so với kết quả thực nghiệm có độ chính xác cao hơn.
- Trong quá trình mồi cháy và khởi động động cơ: kết quả tính toán
một số đặc trưng áp suất của các động cơ theo công thức (3.3) so với kết
quả đo đạc thực nghiệm có sai số khá lớn (đối với động cơ ĐC-01 sai số
lớn hơn 17 %, đối với động cơ ĐC-02 sai số lớn hơn 11 %). Tuy nhiên, kết
quả tính toán các tham số này khi sử dụng quy luật tốc độ cháy của nhiên


23

liệu rắn RSI-12M theo phương pháp của luận án so với kết quả đo đạc thực
nghiệm có sai số nhỏ hơn (sai số nhỏ hơn 11%).

- Trong quá trình động cơ ĐC-01 làm việc: kết quả tính toán các tham
số đặc trưng áp suất của động cơ theo công thức (3.3) và theo phương pháp
của luận án xấp xỉ bằng nhau. Sai số giữa kết quả tính toán so với kết quả
thực nghiệm của động cơ ĐC-01 trong giai đoạn này không vượt quá 14 %,
trong đó kết quả tính toán theo phương pháp của luận án có độ chính xác
cao hơn (sai số không vượt quá 11 %).
- Từ kết quả nghiên cứu động cơ ĐC-01: trong tính toán đặc trưng
nhiệt động học của các động cơ mà tốc độ biến thiên của áp suất không quá
lớn thì để thuận tiện nhưng vẫn đảm bảo độ chính xác chúng ta nên sử dụng
quy luật tốc độ cháy của NLR theo công thức thực nghiệm dạng (1).
- Từ kết quả nghiên cứu động cơ ĐC-02: trong nghiên cứu tính toán
các động cơ sử dụng liều phóng liên hợp rắn nhiều thành phần, làm việc ở
áp suất thấp thì để đảm bảo chính xác hơn chúng ta nên sử dụng quy luật
tốc độ cháy của nhiên liệu theo phương pháp của luận án.
4.6. Kết luận chương 4
Độ chính xác quy luật tốc độ cháy của NLR trong ĐTR được đánh giá
thông qua độ chính xác của áp suất làm việc động cơ theo tính toán với áp
suất thực nghiệm. Các kết quả tính toán đảm bảo tin cậy, các kết quả thực
nghiệm đo đạc trên động cơ mẫu đảm bảo trung thực, khách quan, có độ
chính xác cần thiết.
So sánh kết quả tính toán và thực nghiệm trên các động cơ mẫu cho
thấy, kết quả tính toán khi sử dụng quy luật tốc độ cháy của nhiên liệu rắn
theo phương pháp của luận án có độ chính xác cao hơn.
KẾT LUẬN
1. Kết luận:
1- Các quá trình làm việc của ĐTR thường gắn với các quá trình cháy
không ổn định của liều nhiên liệu rắn. Vì vậy, khi sử dụng các quy luật tốc
độ cháy thực nghiệm để tính toán các đặc trưng nhiệt động học của động cơ
sẽ cho kết quả có độ chính xác không cao.
2- Quá trình cháy của NLR là quá trình phản ứng hóa học xảy ra trên

một lớp bề mặt của nhiên liệu và được quyết định bởi nhiệt độ của NLR.
Từ mô hình toán học quá trình cháy của NLR, việc xác định tốc độ cháy
của NLR được đưa đến việc giải bài toán truyền nhiệt trong vật rắn có
nguồn nội nhiệt. Hệ phương trình truyền nhiệt trong NLR có thể giải được
bằng phương pháp số trên máy tính khi có đủ các số liệu đầu vào, điều kiện
ban đầu, điều kiện biên và điều kiện cháy của nhiên liệu.