Nghiên cứu ảnh hưởng của góc mở phần vượt âm loa phụt đến lực đẩy động cơ tên lửa nhiên liệu rắn

Một trong các yêu cầu đặt ra đối với bài toán thiết kế động cơ tên lửa là đưa ra được kết cấu tối ưu nhất để giảm tối đa các tổn thất, tiêu hao năng lượng do nhiên liệu cháy sinh ra, nâng cao hiệu suất động cơ. Bài báo trình bày phương pháp xác định góc mở phần vượt âm của loa phụt động cơ tên lửa nhiên liệu rắn trên cơ sở đánh giá mức độ tổn thất dòng sản phẩm cháy thuốc phóng ảnh hưởng trực tiếp đến giá trị lực đẩy của động cơ. Kết quả góc mở thu được tương ứng với giá trị lực đẩy lớn nhất của động cơ.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nghiên cứu ảnh hưởng của góc mở phần vượt âm loa phụt đến lực đẩy động cơ tên lửa nhiên liệu rắnNghiên cứu khoa học công nghệ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA GÓC MỞ PHẦN VƯỢT ÂMLOA PHỤT ĐẾN LỰC ĐẨY ĐỘNG CƠ TÊN LỬA NHIÊN LIỆU RẮN Hoàng Thế Dũng*, Lê Song Tùng, Trịnh Hồng Anh, Nguyễn Đức Thuận, Bùi Đình Tân Tóm tắt: Một trong các yêu cầu đặt ra đối với bài toán thiết kế động cơ tên lửa là đưa ra được kết cấu tối ưu nhất để giảm tối đa các tổn thất, tiêu hao năng lượng do nhiên liệu cháy sinh ra, nâng cao hiệu suất động cơ. Bài báo trình bày phương pháp xác định góc mở phần vượt âm của loa phụt động cơ tên lửa nhiên liệu rắn trên cơ sở đánh giá mức độ tổn thất dòng sản phẩm cháy thuốc phóng ảnh hưởng trực tiếp đến giá trị lực đẩy của động cơ. Kết quả góc mở thu được tương ứng với giá trị lực đẩy lớn nhất của động cơ.Từ khóa: Động cơ tên lửa (ĐTR), Kết cấu động cơ,Loa phụt, Góc mở phần vượt âm. 1. MỞ ĐẦU Tổn thất lực đẩy trong loa phụt là tổng hợp của nhiều dạng tổn thất, trong đó cóhai dạng chính đó là tổn thất do khuếch tán dòng và tổn thất do ma sát giữa luồngphụt sản phẩm cháy với thành vỏ loa phụt diễn ra chủ yếu trong phần vượt âm. Vớiloa phụt có đường kính tiết diện tới hạn và đường kính tiết diện cửa ra cho trước, khităng chiều dài phần vượt âm loa phụt, góc mở phần vượt âm loa phụt βa giảm và dođó làm giảm tổn thất khuếch tán tuy nhiên lại làm tăng tổn thất do dòng ma sát lênthành loa. Ngược lại, trong trường hợp giảm chiều dài phần vượt âm thì tổn thấtkhuếch tán tăng lên, còn tổn thất do ma sát giảm xuống. Từ đó đặt ra yêu cầu xácđịnh góc mở βa phù hợp để tổng tổn thất trong loa phụt là nhỏ nhất và có nghĩa lànhận được hệ số lực đẩy lớn nhất - lực đẩy động cơ đạt giá trị lớn nhất. Kết quảnghiên cứu của bài báo có thể vận dụng cho tính toán, thiết kế khối loa phụt động cơ. Kết cấu phần vượt âm của loa phụt thường có 2 dạng: dạng hình côn và dạnglaval. Loa phụt dạng laval tuy có kết cấu phức tạp hơn, khó khăn hơn trong côngnghệ chế tạo so với loa phụt dạng hình côn nhưng bù lại nó có kích thước gọn, hạnchế được nhiều hơn các tổn thất do ma sát của dòng khí phụt ra lên thành loa phụt,tổn thất giãn dài dọc loa phụt (loa phụt laval ngắn hơn loa phụt hình côn khi sửdụng cho cùng một họ động cơ), do vậy giảm thiểu tổn thất tổng qua loa phụt. Hiệnnay, công nghệ chế tạo loa phụt ở nước ta phục vụ trong các đề tài nghiên cứukhoa học hầu như chỉ sử dụng loại loa phụt hình côn và chưa thực sự đề cao vấn đềhạn chế sự tổn thất năng lượng qua loa phụt. Phương pháp nghiên cứu đưa ra dướiđây cho phép đánh giá lại một cách chính xác hơn vấn đề đã nêu ở trên. 2. ĐẶT BÀI TOÁN Lực đẩy là thông số quan trọng nhất của động cơ tên lửa nhiên liệu rắn (ĐTR).Giá trị lực đẩy cũng như quy luật biến đổi của nó có ý nghĩa quyết định đến quyluật chuyển động, cự ly bay và hệ thống điều khiển của tên lửa. Công thức chungxác định lực đẩy của ĐTR có dạng [3]: P  cCP pFth , (1)Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Tên lửa, 09 - 2016 237 Cơ học & Điều khiển thiết bị baytrong đó: P là lực đẩy động cơ, [N]; φc là hệ số loa phụt; CP là hệ số lực đẩy; p làáp suất làm việc trong buồng đốt động cơ [Pa]; Fth là diện tích tiết diện tới hạn loaphụt [m2]. Ở một điều kiện môi trường nhất định, mỗi động cơ nhiên liệu rắn được thiết kếlàm việc ổn định ở một giá trị áp suất p xác định với một giá trị diện tích tiết diệntới hạn loa phụt Fth tương ứng. Khi đó, để tăng giá trị lực đẩy động cơ cần thiết kếbiên dạng cũng như kích thước lòng trong các loa phụt một cách hợp lý nhằm tănggiá trị các hệ số lực đẩy CP (phụ thuộc vào đường kính cửa ra loa phụt da) và hệ sốloa phụt φc. Mặt khác, để đảm bảo kích thước động lực học bay cho tên lửa cũngnhư giai đoạn chuyển động của tên lửa trong ống phóng thì đường kính cửa ra củaloa phụt da được giới hạn trong một khoảng giá trị cụ thể. Khi đó giá trị lực đẩy tỷlệ thuận với giá trị hệ số loa phụt φc. Theo định nghĩa, hệ số loa phụt φc là tích của hai thành phần chính được xácđịnh theo công thức sau [4]: c   ms kt , (2)trong đó: φms là hệ số tổn thất lực đẩy do ma sát giữa dòng sản phẩm cháy vớithành loa phụt; φkt là hệ số tổn thất lực đẩy do hiện tượng khuếch tán dòng. L l1 li dth β1 wi ρi da βi ...