Đánh giá khả năng ứng dụng nhiên liệu dạng kem cho động cơ hành trình tên lửa tầm gần

Thông tin khoa học công nghệ N. H. Tùng, H. T. Dũng, “Đánh giá khả năng ứng dụng nhiên liệu tên lửa tầm gần.” 216 ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG NHIÊN LIỆU DẠNG KEM CHO ĐỘNG CƠ HÀNH TRÌNH TÊN LỬA TẦM GẦN Nguyễn Hữu Tùng1*, Hoàng Thế Dũng2 Tóm tắt: Nâng cao năng lượng cho nhiên liệu để tăng lực đẩy của động cơ là một yêu cầu quan trọng trong thiết kế, chế tạo cũng như cải tiến các tên lửa hiện nay. Bài báo trình bày nghiên cứu khả năng ứng dụng nhiên liệu dạng kem cho động cơ hành trình tên lửa tầm gần trên cơ sở phân tích, tính toán nhiệt động quá trình cháy nhiên liệu dạng kem. Đây là dạng nhiên liệu đang được nhiều nước quan tâm phát triển trong thời gian gần đây. Kết quả thu được định hướng cho những nghiên cứu tiếp theo về dạng nhiên liệu mới này cũng như xây dựng chi tiết đơn thành phần nhiên liệu cho liều phóng động cơ hành trình tên lửa tầm gần. Từ khóa: Động cơ tên lửa; Nhiên liệu tên lửa; Nhiên liệu kem. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Nhiên liệu dạng kem (NLK) là nhiên liệu hỗn hợp có trạng thái vật lý ở dạng trung gian giữa thể lỏng và thể rắn, là hệ keo trong đó dung môi là chất cháy-kết dính (cao su lỏng-nhớt) chứa chất oxy hóa và các phụ gia, xúc tác khác. Với đặc tính của chất lưu phi Niu-tơn, độ nhớt của NLK bị thay đổi dưới tác dụng của ngoại lực, lợi dụng điều này NLK có thể được sử dụng được ở nhiều trạng thái khác nhau, có độ nhớt thấp như nhiên liệu lỏng hoặc độ nhớt cao với cấu trúc tương tự nhiên liệu rắn [4], [5]. NLK có đặc trưng năng lượng cao và công nghệ sản xuất đơn giản hơn đáng kể so với các loại nhiên liệu rắn (NLR), tận dụng được nguyên liệu và máy móc sản xuất của nhiên liệu hỗn hợp, nhiên liệu có thể nạp vào động cơ có hình dạng kích thước khác nhau. Vì vậy các tác giả tiến hành nghiên cứu định hướng xây dựng đơn thành phần, đánh giá khả năng NLK thay thế thuốc phóng keo cho động cơ hành trình (ĐCHT) tên lửa tầm gần với thông số làm việc và kích thước động cơ hành trình được trình bày trong bảng 1 [1]. Bảng 1. Các thông số liều phóng động cơ hành trình. Tên thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị 1 Tổng xung lượng lực đẩy thực nghiệm, N.s I N.s 2320...2700 2 Thời gian hoạt động, s t s 24...29 3 Khối lượng liều phóng, kg m kg 1,52 4 Chiều dài liều phóng, m L m 0,252 Dựa trên các thông số kỹ thuật của động cơ hành trình, đặt ra chỉ tiêu cho liều nhiên liệu như sau: - Khối lượng nhiên liệu không đổi: m = 1,52 kg. - Tổng xung lượng: .min 3480 .tt r c k I I I m N s       (1) trong đó, Ir - Xung lượng riêng của NLK m/s, Imin.tt – Xung lượng đo được của liều phóng thuốc phóng keo, m/s; φc = 0,779 – Hệ số tổn thất loa phụt; φk = 0,855 – Hệ số tổn thất buồng đốt. Thông tin khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 61, 6 - 2019 217 - Tốc độ cháy trung bình của nhiên liệu trong khoảng áp suất làm việc: 8,7...10,5 / L u mm s t   (2) Phương pháp nghiên cứu của bài báo dựa trên các nghiên cứu về nhiên liệu hỗn hợp trong nước lựa chọn đơn thành phần có tốc độ cháy phù hợp, sau đó thay thế các phụ gia hóa rắn bằng phụ gia hóa kem. Sử dụng phần mềm Real 3W tính nhiệt động quá trình cháy cho các đơn thành phần mới. Tính toán ảnh hưởng thành phần nhiên liệu đến tổng xung và khối lượng liều phóng. Từ đó đánh giá khả năng sử dụng NLK, định hướng xây dựng đơn thành phần nhiên liệu cho liều phóng ĐCHT tên lửa tầm gần. 2. PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG ĐƠN THÀNH PHẦN 2.1. Thành phần nhiên liệu kem NLK có thành phần dựa trên cơ sở nhiên liệu hỗn hợp không đóng rắn. Nhóm tác giả lựa chọn các thành phần cơ bản dựa trên nghiên cứu [2] với chất oxy hóa amoni peclorat (AP), chất cháy-kết dính là cao su lỏng-nhớt PBAN, phụ gia năng lượng là nhôm (Al). Đây là các thành phần có thể tiếp cận nghiên cứu trong nước và có tốc độ cháy thấp (trong khoảng áp suất 4-7MPa từ 9-11 mm/s). Phụ gia hóa rắn được thay thế bằng phụ gia hóa kem là silic điôxit (SiO2) [5]. 2.2. Cơ sở lý thuyết xác định các thông số nhiệt động Tác giả sử dụng phần mềm Real 3W – phần mềm tính toán nhiệt động của hệ năng lượng cao phân tử trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao (lên đến 6000 K và 600-800 MPa), Real 3W được ứng dụng rộng rãi trong việc thiết kế, xây dựng đơn thành phần các loại nhiên liệu tên lửa [3]. Mô hình tính toán của Real 3W dựa trên 3 phương trình trạng thái: - Phương trình trạng thái khí lý tưởng 0p R T   (3) p – áp suất, ρ – mật độ mol của pha khí (ρ=ng/Vg), R0 – hằng số khí lý tưởng, T – nhiệt độ; - Phương trình trạng thái bổ sung hệ số:  20 1p R T B       (4) B, C – các hệ số bổ sung; - Phương trình trạng thái Nedostup: 0 0 0 ( ) 1 1 / B T p R T              (5) T0=T/(1 – ρ/ρ0), ρ0 – tham số của phương trình trạng thái. Thuật toán xác định trạng thái cân bằng nhiệt động của hệ giựa trên định luật 2 nhiệt động lực học, trong đó hệ đạt trạng thái cân bằng khi entropy đạt cực đại, xác định véc-tơ nồng độ các chất n và hàm của S(U, V, n). Xác định các tham số khác sử dụng hàm Lagrange dưới dạng: 0 0 0 0 1 1 1 2 2 2 1 1 ( ( , , )) ( ( , , )) ( ( , , )) ( )l ( ) ( ) ( ) U H S c N ji i j j g V P P j i L S U U T V n l H H T V n l S S T V n l a n b pV RTn Z l P a l P a l                  (6) Thông tin khoa học công nghệ N. H. Tùng, H. T. Dũng, “Đánh giá khả năng ứng dụng nhiên liệu tên lửa tầm gần.” 218 trong đó: U0, H0, S0 – nội năng, entalpy và entropy cân bằng của hệ, li – nhân tử không xác định Lagrange, p, T, V – áp suất, nhiệt độ và thể tích cân bằng của hệ, ng – số mol pha khí, R0 – hằng số khí tiêu chuẩn, Z – hệ số phụ thuộc vào các phương trình trạng thái, P1, P2 – tham số nhiệt động tại trạng thái cân bằng, a1, a2 – các thông số được tính theo các tham số trước, c – số các nguyên tố hóa học ở trong hệ, N – số các chất ở trong hệ, aji – số các nguyên tử của nguyên tố j ở trong chất i, bj – tỷ lệ nguyên tố j ở trong hệ. Phần mềm Real 3W cho kết quả là các tham số nhiệt động quan trọng thể hiện được đặc trưng năng lượng và quá trình cháy của nhiên liệu như: - Xung lương riêng I : = + ( ) ' = + ( ) a a a h a a a h f I W p p f W p p m    (7) trong đó: 22( )  aaW H H - vận tốc dòng với H2, Ha lần lượt là entanpi của dòng sản phẩm cháy tại cửa vào và tại cửa ra loa phụt; pa, ph - áp suất tại cửa ra của loa phụt và áp suất của khí quyển tại độ cao h; af - diện tích cửa ra của loa phụt; m - lưu lượng của nhiên liệu. - Hệ số dư oxy α: [ ] / [ ]  i i i i Oxidizers Fuels V El V El (8) trong đó: Oxidizers – chất oxy hóa; Fuels – chất cháy; [El]i – tỷ lệ nguyên tố i trong hệ, mol/kg; Vi – hệ số tương ứng (các nguyên tố F, Cl-1, O-2, H, Na , K-1, Al, Fe-3, C, Si-4,...). 2.3. Tốc độ cháy Giả thiết quá trình cháy nhiêu liệu đều qua các giai đoạn phân hủy chất oxy hóa, phân hủy chất cháy, trộn các sản phẩm phân hủy và xảy ra phản ứng oxy hóa khử, tốc độ cháy được quyết định do các phản ứng xảy ra ở pha khí. Tốc độ cháy của hỗn hợp khí tỷ lệ với vận tốc tỏa nhiệt của phản ứng theo công thức [6]:   2 2 max max 22 0 2 2 ~ c c c RT RT u q E Ec T T          (9) trong đó: max ~ e -E/RTc - vận tốc tỏa nhiệt theo thể tích lớn nhất trong một đơn vị thể tích trong vùng phản ứng có T=Tc, J/m 3.s; q – nhiệt lượng của phản ứng, J/kg; c – nhiệt dung riêng trung bình, J/kg.K; λ – hệ số dẫn nhiệt của hỗn hợp khí trong vùng phản ứng, W/(m.K); E – năng lượng hoạt hóa của phản ứng, J/mol; Tc – nhiệt độ sản phẩm cháy, K; T0 – nhiệt độ ban đầu, K. Bài báo đánh giá tốc độ cháy của nhiên liêu thông qua các chỉ số nhiệt động như R, c, λ và Tc. 3. CÁC KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VÀ NHẬN XÉT 3.1. Khảo sát ảnh hưởng của phụ gia hóa kem đến đặc trưng nhiệt động của nhiên liệu Tác giả sử dụng tỷ lệ các thành phần nhiên liệu hỗn hợp rắn (NLR) trong [2], thay thế các phụ gia hóa rắn bằng các phụ gia hóa kem, sử dụng Real 3W khảo sát các đơn thành phần, so sánh các tham số nhiệt động quá trình cháy của NLK với NLR. Thành phần các mẫu khảo sát và kết quả tính được trình bày trong bảng 2, 3. Thông tin khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 61, 6 - 2019 219 Bảng 2. Thành phần NLR và NLK khảo sát. TT Thành phần NLR-1 NLR-2 NLK-1 NLK-2 NLK- 3 NLK- 4 NLK- 5 1 AP, % 72 71 72 71 72 72 72 2 PBAN, % 10 10 10 10 11 12 13 3 Al, % 13 13 13 13 13 13 13 4 Phụ gia hóa rắn, % 2,3 2,3 - - - - - 5 Phụ gia hóa kem, % - - 5 4,4 4 3 2 6 Xúc tác tốc độ cháy, % - 1,6 - 1,6 - - - 7 Phụ gia công nghệ, % 2,7 2,1 - - - - Bảng 3. Kết quả tính nhiệt động (P=5MPa). TT Đại lượng NLR-1 NLR-2 NLK-1 NLK- 2 NLK- 3 NLK- 4 NLK- 5 Ir, m/s 2471 2468 2407 2415 2427 2445 2460 α 0,598 0,578 0,729 0,678 0,694 0,661 0,631 Tc, K 3245 3233 3414 3361 3383 3347 3308 R, kJ/kg.K 0,3083 0,3086 0,2678 0,2760 0,2766 0,2855 0,2945 λ, W/(m.K) 0,3658 0,3724 0,3411 0,3514 0,3482 0,3548 0,3606 cp, kJ/kg.K 3,2303 3,0864 4,7235 4,2307 4,4459 4,1884 3,9537 %mSiO2.khí - - 0,02 0,01 0,01 0,01 0 %mSiO2.rắn - - 4,98 4,39 3,99 2,99 2 trong đó, %mSiO2.khí, %mSiO2.rắn phần trăm khối lượng SiO2 ở pha khí và rắn trong sản phẩm cháy. Kết quả khảo sát cho thấy, khi thay đổi phụ gia hóa rắn bằng phụ gia hóa kem, xung lượng riêng giảm 2,5% (từ 2470 xuống 2410) mặc dù hệ số dư oxy tăng. Các tham số nhiệt động Tc, R, λ thay đổi không lớn (~1,05 lần). NLK về cơ bản vẫn giữ được xung lượng riêng cao của nhiên liệu hỗn hợp. Để đánh giá chính xác hơn về ảnh hưởng của phụ gia hóa kem SiO2 đến quá trình cháy, tác giả khảo sát các đơn thành phần NLK với các hàm lượng SiO2 khác nhau. Trong đó xem xét đến hàm lượng SiO2 trong sản phẩm cháy. Kết quả khảo sát cho thấy SiO2 không tham gia vào phản ứng cháy và tồn tại gần như nguyên vẹn trong sản phẩm cháy ở pha rắn. Chỉ một lượng nhỏ chuyển sang thể khí vì vậy lượng nhiệt tiêu hao để hóa hơi SiO2 là không đáng kể. Tuy nhiên thành phần này tồn tại ở thể rắn trong sản phẩm cháy là nguyên nhân gây giảm xung năng lượng. 3.2. Khảo sát ảnh hưởng của thành phần nhiên liệu đến tổng xung và khối lượng liều phóng - Khối lượng nhiên liệu tính theo công thức: 2 2 d m V L              (10) trong đó: d = 64 mm – đường kính khối nhiên liệu. - Mật độ nhiên liệu: O2 O2 % % %% 1/ ,PBAN Al SiAP AP PBAN Al Si m m mm               (11) Thông tin khoa học công nghệ N. H. Tùng, H. T. Dũng, “Đánh giá khả năng ứng dụng nhiên liệu tên lửa tầm gần.” 220 trong đó: %m, ρ – lần lượt là phần trăm khối lượng và mật độ của các thành phần trong nhiên liệu với ρAl = 2700 kg/m 3, ρPBAN = 955 kg/m 3, ρAP = 1960 kg/m 3, ρSiO2 = 2650 kg/m 3. Tổng xung I tính theo công thức (1). Với mục đích không làm thay đổi thiết kế hệ thống ban đầu, liều phóng NLK được tính toán sao cho khối lượng không đổi là 1,52 kg. Kết quả tính toán khối lượng và tổng xung của liều nhiên liệu được trình bày trong hình 1. Hình 1. Ảnh hưởng của thành phần đến khối lượng và tổng xung NLK 1 – 72% AP; 2 – 70% AP; 3 – 68% AP. Kết quả tính toán cho thấy để đảm bảo khối lượng liều phóng cần giảm hàm hượng Al và AP. Với hàm lượng AP 72% thì hàm lượng Al cần giảm xuống ~8%, nếu giảm hàm lượng AP xuống 68% thì chỉ cần giảm hàm lượng Al xuống ~11% để đảm bảo khối lượng liều phóng. Tuy vậy, liều nhiên liệu vẫn đảm bảo tổng xung lượng cao (~3600 N.s so với chỉ tiêu là 2480 N.s). Từ kết quả trên, bài báo đưa ra định hướng nghiên cứu tiếp theo một số đơn thành phần NLK cho khối lượng liều nhiên liệu ~1,52 kg trong bảng 4. Bảng 4. Một số đơn thành phần NLK. Thành phần Hàm lượng, % Chất oxy hóa AP 68...72 Chất cháy kết dính PBAN 18...19 Chất cháy kim loại Al 8...11 Phụ gia hóa kem SiO2, % 2 4. KẾT LUẬN Dựa trên những nghiên cứu tổng quan về NLK, sử dụng phần mềm Real 3W tính toán nhiệt động quá trình cháy một số đơn nhiên liệu, kết quả thu được cho thấy NLK mang đặc trưng năng lượng cao của NLHH, đáp ứng các chỉ tiêu đặt ra, cao hơn đáng kể so với thuốc phóng keo. Bài báo chỉ là nghiên cứu bước đầu, tiếp cận và đánh giá khả năng ứng dụng dạng nhiên liệu mới tại Việt Nam này. Với đặc trưng năng lượng cao và công nghệ sản xuất đơn giản, NLK là một hướng đi đáng quan tâm. Để làm chủ việc sản xuất và đưa NLK vào ứng dụng trong thực tế, cần thêm nhiều nghiên cứu thực nghiệm, đặc biệt là về độ nhớt của dạng nhiên liệu này, ảnh hưởng của độ nhớt đến quá trình cháy của nhiên liệu chứa trực tiếp trong buồng đốt. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Hoàng Thế Dũng, “Nghiên cứu, khai thác hệ thống động cơ tên lửa chống tăng B72”, Viện Tên lửa, Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự (2017), tr.72. [2]. Ngô Thế Hải, “Nghiên cứu ảnh hưởng của một số hợp phần đến tốc độ cháy và nhiệt lượng cháy của nhiên liệu tên lửa rắn hỗn hợp trên nền chất cháy kết dính polybutadien acrylonitryl acrylic”, Học Viện Kỹ thuật quân sự (2016), tr.54-59 Thông tin khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 61, 6 - 2019 221 [3]. Белов Г.В., Трусов Б.Г. “Термодинамическое моделирование химически реагирующих систем”, МГТУ им. Н.Э. Баумана (2013), 73-74с. [4]. Сорокин В.А., Яновский Л.С., Козлов В.А., Суриков Е.В., “Ракетно- прямоточные двигатели на твердых и пастообразных топливах”, ФИЗМАТЛИТ (2010), 123-127с. [5]. Чулков А.З., Паушкин Я.М., “Ракетные топлива”, Издательство “Мир” (1975), 114с. [6]. Бахман Н. Н., Беляев А. Ф., “Горение гетерогенных конденсированных систем”, Издателство Наука (1967), 25с. ABSTRACT RESEARCH ON THE APPLICABILITY OF GELL FUEL TO CLOSE-RANGE MISSILE CRUISE ENGINES Increasing energy for fuel to increase engine thrust is an important requirement in designing, manufacturing and improving current missiles. The paper presents a study on the applicability of gell fuel to close-range missile cruise engines on the basis of analyzing, calculating thermodynamics and speed of burning fuel. The results are driven by further research on this new fuel form as well as the construction of a fuel for close-range missile cruise engines. Keywords: Rocket’s engine; Mixed fuel; Gel fuel. Nhận bài ngày 09 tháng 5 năm 2019 Hoàn thiện ngày 23 tháng 5 năm 2019 Chấp nhận đăng ngày 17 tháng 6 năm 2019 Địa chỉ: Viện Tên lửa - Viện KH-CN quân sự. *Email: ng.huutung27@gmail.com.