Nghiên cứu đo biến dạng vỏ động cơ phóng tên lửa phòng không tầm thấp

Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 43, 06 - 2016 165 11 10 9 31 4 5 6 7 812 13 14 15 16 17 18 2019 2 NGHIÊN CỨU ĐO BIẾN DẠNG VỎ ĐỘNG CƠ PHÓNG TÊN LỬA PHÒNG KHÔNG TẦM THẤP Đào Duy Việt1*, Hoàng Xuân Lượng2 Tóm tắt: Trong nghiên cứu chế tạo động cơ phóng (ĐCP) tên lửa phòng không tầm thấp ngoài các thử nghiệm về thuật phóng cần thiết phải có các thử nghiệm để đánh giá độ bền vỏ động cơ trong quá trình làm việc. Đặc điểm của ĐCP tên lửa phòng không tầm thấp nói chung có thời gian làm việc rất ngắn (≈0,07 giây )[1], trong quá trình làm việc vỏ động cơ luôn bị nóng lên bởi tác động của các sản phẩm cháy trong lòng động cơ. Vì vậy, cần phải có các giải pháp đặc biệt trong việc lựa chọn mô hình thực nghiệm để xây dựng hệ thống đo biến dạng vỏ động cơ tương thích. Bài báo này trình bày một giải pháp đo biến dạng vỏ động cơ trong quá trình làm việc. Kết quả nghiên cứu là cơ sở cho việc đánh giá độ bền vỏ của ĐCP tên lửa phòng không tầm thấp được nghiên cứu chế tạo bằng công nghệ trong nước theo tài liệu thiết kế của nước ngoài. Từ khóa: Tên lửa phòng không tầm thấp, Động cơ phóng, Biến dạng vỏ động cơ. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ ĐCP tên lửa phòng không tầm thấp lần đầu tiên được nghiên cứu chế tạo trong nước theo bản vẽ thiết kế của Nga. Để làm chủ được thiết kế và công nghệ chế tạo, cần phải tìm hiểu các đặc tính và điều kiện làm việc của ĐCP. Mục đích thí nghiệm: Xác định độ bền vỏ ĐCP tên lửa phòng không tầm thấp khi làm việc bằng phương pháp đo biến dạng. Đo biến dạng bằng công nghệ tem biến dạng để đánh giá độ bền của các kết cấu đã được nhiều công trình trong nước [2], [3], [4] và ngoài nước [5], [6], [7] đề cập, song đo biến dạng vỏ động cơ tên lửa trong quá trình làm việc có áp suất cao, nhiệt độ lớn và làm việc trong thời gian ngắn mới chỉ được tiến hành tại các nước có nền công nghiệp tên lửa phát triển. Ở nước ta hiện nay chưa có cơ sở nghiên cứu nào tiến hành các thử nghiệm này do phương tiện đo phải làm việc trong điều kiện rất khắc nghiệt vì vỏ động cơ bị nung nóng trong khi làm việc. ĐCP tên lửa phòng không tầm thấp có cấu trúc như hình 1. Hình 1. Cấu trúc ĐCP tên lửa phòng không tầm thấp. Khi điểm hoả, dưới tác dụng của xung điện sẽ kích nổ mồi lửa 10, làm thỏi nhiên liệu 9 bùng cháy đột ngột và sinh khí lớn, áp suất trong buồng đốt tăng đột ngột. Thời gian thuốc Trong đó: 1. Thân động cơ 11. Đĩa đàn hồi 2. Nắp động cơ 12. Cụm dây dẫn 3. Gioăng làm kín thân ĐC 13. Đai ốc 4. Khối loa phụt 14. Bạc trung gian 5. Nút bịt kín loa phụt 15. Màng cách điện 6. Gioăng làm kín nút bịt 16. Ống dẫn khí 7. Vít M3 bắt khối loa phụt 17. Vòng đệm 8. Đĩa phân phối 18. Giá đỡ 9. Thỏi nhiên liệu 19. Vòng đai 10. Mồi lửa 20. Vấu định vị Cơ kỹ thuật & Kỹ thuật cơ khí động lực Đ.D.Việt, H.X.Lượng, “Nghiên cứu đo biến dạng phòng không tầm thấp.” 166 phóng cháy cỡ vài phần trăm giây. Khí thuốc sinh ra chuyển động và thoát khỏi buồng đốt của động cơ phóng qua 6 loa phụt, tạo ra lực đẩy tên lửa chuyển động thẳng về phía trước, đồng thời tạo cho tên lửa một chuyển động quay quanh trục của nó. Một phần nhỏ xung lửa trong buồng đốt của ĐCP theo ống dẫn khí 16 làm nhiệm vụ kích hoạt động cơ hành trình hoạt động ngay sau đó. Khi thuốc phóng cháy trong buồng đốt ĐCP, vỏ ĐCP chịu tác động tổng hợp của các yếu tố cơ - nhiệt, nếu vỏ ĐCP không đủ bền sẽ xảy ra nổ động cơ gây mất an toàn khi sử dụng, bên cạnh đó nếu vỏ động cơ được thiết kế quá bền sẽ làm khối lượng động cơ lớn gây tốn kém vật liệu để chế tạo và năng lượng phóng tên lửa. 2. NỘI DUNG CẦN GIẢI QUYẾT 2.1. Cơ sở khoa học Xuất phát từ đối tượng đo là ĐCP tên lửa phòng không tầm thấp có các thông số kỹ thuật cơ bản như sau [1]: - Thuốc phóng: 9X196M - Khối lượng: (0,127 ± 0,003) kg - Tổng xung lực đẩy: (235,4  274,6) N.s - Áp suất max: Pmax ≤ 1588,6.10 4 Pa Mô hình 3D vỏ ĐCP và vị trí đo biến dạng được thể hiện trên hình 2. Vị trí đo biến dạng dọc (phương z) và ngang (phương x) được lựa chọn theo kết quả mô phỏng biến dạng cơ nhiệt trên phần mềm ANSYS, với các tham số đầu vào như sau: - Kích thước động cơ: theo [1] - Vật liệu chế tạo vỏ ĐCP: thép СП-28Х - Áp suất làm việc cực đại của động cơ 1588,6.104 Pa - Nhiệt độ bên trong buồng đốt động cơ: 2427 0C, nhiệt độ môi trường 250C - Thời gian làm việc của động cơ: 0,09 s. Kết quả mô phỏng biến dạng trên vỏ ĐCP dưới tác động của quá trình cơ nhiệt khi ĐCP làm việc như trên hình 2. a) b) Hình 2. Kết quả mô phỏng biến dạng ngang (a) và biến dạng dọc (b) vỏ ĐCP. Từ kết quả mô phỏng này sẽ định hướng cho việc xây dựng phương tiện đo biến dạng vỏ ĐCP. 2.2. Xây dựng phương tiện đo Cũng giống như các hệ thống đo khác, hệ thống đo biến dạng vỏ ĐCP được cấu tạo gồm ba bộ phận chính là cảm biến, thiết bị gia công tín hiệu và thiết bị chỉ thị [3]. Cấu trúc tổng quát của hệ thống được thể hiện trên hình 3. Trong đó: Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 43, 06 - 2016 167 Hình 4. Các tem biến dạng sau khi được dán trên vỏ ĐCP.  Cảm biến là các tem biến dạng được dán trên vỏ động cơ, thực hiện chức năng tiếp nhận và biến đổi thông tin về sự biến dạng trên vỏ động cơ thành sự biến thiên điện áp trên đầu ra. Tín hiệu điện áp ra này được đưa tới thiết bị gia công tín hiệu để xử lý tiếp theo bằng các cáp đo.  Thiết bị gia công tín hiệu được lắp đặt tại trung tâm xử lý tín hiệu và chỉ thị kết quả đo, thực hiện chức năng khuếch đại tín hiệu đến biên độ đủ lớn và lọc nhiễu, đảm bảo cho các bước xử lý tiếp theo trên thiết bị chỉ thị.  Thiết bị chỉ thị thực hiện chức năng biến đổi tín hiệu từ dạng tương tự thành dạng số và tính toán xử lý số liệu theo thuật toán xác định rồi chỉ thị kết quả đo theo các dạng thích hợp. Hình 3. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống đo biến dạng. Để phép đo biến dạng vỏ động cơ được chính xác phải căn cứ vào đặc điểm của đối tượng cần đo để có các lựa chọn các phần tử tương thích trong hệ thống. 2.2.1. Lựa chọn tem biến dạng và dán tem trên vỏ động cơ Do vỏ động cơ bị biến dạng bởi các tác động cơ – nhiệt khi động cơ làm việc nên các tem biến dạng được chọn ngoài tác dụng phải “cảm nhận” được biến dạng trên vỏ động cơ còn phải làm việc được trong điều kiện nhiệt độ cao. Vì vậy loại tem được nhóm nghiên cứu lựa chọn là KHC-10-120-G15-11 của hãng KYOWA có các đặc tính kỹ thuật như sau: - Kích thước dài: 10 mm - Điện trở: 120  - Nhiệt độ làm việc cực đại: 550oC - Độ nhạy: 2,11 Tem biến dạng KHC-10-120-G15-11 được dán trên vỏ động cơ theo một quy trình đặc biệt bằng keo gốm áp dụng cho những phép đo biến dạng tại nhiệt độ cao (nhỏ hơn 650oC). Các tem biến dạng sau khi được dán trên vỏ ĐCP có cấu trúc như trên hình 4. 2.2.2. Lựa chọn thiết bị gia công tín hiệu và chỉ thị Thiết bị gia công tín hiệu đo biến dạng được nhóm nghiên cứu lựa chọn loại CDV- 700A của hãng KYOWA để làm việc đồng bộ được với loại tem biến dạng trên, thiết bị có thể tự động chuẩn biến dạng theo biểu thức sau: Tem biến dạng Thiết bị GCTH Thiết bị chỉ thị Đối tượng đo Trung tâm đo Khoảng cách an toàn Độ lớn biến dạng [m/m] = Điện áp ra tương ứng với biến đổi đầu vào Điện áp ra sau khi chuẩn x Giá trị chuẩn Cơ kỹ thuật & Kỹ thuật cơ khí động lực Đ.D.Việt, H.X.Lượng, “Nghiên cứu đo biến dạng phòng không tầm thấp.” 168 Ngoài ra do vị trí dán tem biến dạng bị hạn chế trên động cơ nên ở đây nhóm tác giả sử dụng phương pháp đo biến dạng 1 tem, vì vậy để kết nối thiết bị CVD với tem biến dạng cần sử dụng bộ nối cầu DB-120A đi kèm như trên hình 5. Hình 5. Hộp nối cầu DB-120A. Tín hiệu điện áp ra từ thiết bị CDV-700A được đưa đến máy tính và hiển thị trên phần mềm DASYLab 11.0 thông qua Card ADC NI PCI 7613. Cấu trúc hệ thống đo biến dạng vỏ động cơ được xây dựng như trên hình 6. Hình 6. Cấu trúc hệ thống đo biến dạng vỏ ĐCP. 3. KẾT QUẢ ĐO THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN Thực nghiệm đo biến dạng vỏ ĐCP cùng với đo nhiệt độ và áp suất buồng đốt động cơ đã được nhóm tác giả phối hợp cùng nhóm nghiên cứu Phòng thí nghiệm đo lường động học bay, Viện Tên lửa, Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, thực hiện tại trường bắn Nhà máy Z195, xã Hợp Châu, huyện Tam Đảo, tỉnh Vĩnh Phúc - hình 7. Hình 7. Thực nghiệm đo biến dạng vỏ ĐCP phòng không tầm thấp. Kết quả biến dạng ngang và dọc vỏ động cơ đo được khi tiến hành thử nghiệm như biểu đồ hình 8. Quan sát các đồ thị trên hình 8, nhận thấy: Động cơ Tem ®o Hép cÇu ADC NI PCI 6713 PC DASYLab Chỉ thị phân tích kết quả đo 100 mét Giá đo ĐCP tên lửa Igla Bộ nối cầu DB-120A Cảm biến đo áp suất ĐCP tên lửa Igla Cảm biến đo nhiệt độ vỏ động cơ Tem biến dạng được gắn trên vỏ động cơ Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 43, 06 - 2016 169 - Giá trị biến dạng vỏ của ĐCP do tác động tổng hợp của quá trình cơ nhiệt khi động cơ làm việc. Khi thuốc phóng cháy áp suất và nhiệt độ trong động cơ tăng đột ngột làm biến dạng vỏ động cơ. mc Eps 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 s 8.010 8.020 8.030 8.040 8.050 8.060 8.070 Y1: Y2: t1: t2: dt: f: dY: dY/dt: Min: Max: Int: RMS: Channel:BIEN DANG -10833.744 ms 5.043 mc Eps -10773.144 ms 2160.980 mc Eps 0.061 s 16.502 Hz 2155.937 35576.521 5.043 3031.831 157.946 2654.193 ®å thÞ biÕn d¹ng vá ®c - ph­¬ng däc BIEN DANG oC 250 225 200 175 150 125 100 75 50 25 0 s 9 12 15 18 21 24 27 30 Y1: Y2: t1: t2: dt: f: dY: dY/dt: Min: Max: Int: RMS: Channel:NHIET DO -22124.316 ms 36.376 oC -4723.716 ms 204.672 oC 17.401 s 0.057 Hz 168.297 9.672 36.376 205.968 3204.670 187.424 ®å thÞ nhiÖt ®é theo thêi gian NHIET DO bar 150 125 100 75 50 25 0 s 8.010 8.020 8.030 8.040 8.050 8.060 8.070 8.080 Y1: Y2: t1: t2: dt: f: dY: dY/dt: Min: Max: Int: RMS: Channel:AP SUAT -10833.151 ms 0.000 bar -10772.951 ms 88.676 bar 0.060 s 16.611 Hz 88.676 1473.031 0.000 138.634 7.156 120.208 ®å thÞ ¸p suÊt theo thêi gian AP SUAT mc Eps 1750 1500 1250 1000 750 500 250 0 s 8.950 8.960 8.970 8.980 8.990 9.000 9.010 9.020 9.030 Y1: Y2: t1: t2: dt: f: dY: dY/dt: Min: Max: Int: RMS: Channel:BIEN DANG -21046.400 ms 31.613 mc Eps -20984.800 ms 1299.678 mc Eps 0.062 s 16.234 Hz 1268.064 20585.459 31.613 1467.174 56.795 994.269 ®å thÞ biÕn d¹ng vá ®c - ph­¬ng ngang BIEN DANG oC 250 225 200 175 150 125 100 75 50 25 0 s 10 15 20 25 Y1: Y2: t1: t2: dt: f: dY: dY/dt: Min: Max: Int: RMS: Channel:NHIET DO -51035.800 ms 39.080 oC -35032.600 ms 207.067 oC 16.003 s 0.062 Hz 167.987 10.497 38.975 207.622 2896.338 184.977 ®å thÞ nhiÖt ®é theo thêi gian NHIET DO bar 150 125 100 75 50 25 0 s 8.950 8.960 8.970 8.980 8.990 9.000 9.010 9.020 Y1: Y2: t1: t2: dt: f: dY: dY/dt: Min: Max: Int: RMS: Channel:AP SUAT -21046.400 ms 0.000 bar -20984.800 ms 27.099 bar 0.062 s 16.234 Hz 27.099 439.921 0.000 143.604 7.242 120.130 ®å thÞ ¸p suÊt theo thêi gian AP SUAT Hình 8. Đồ thị đo biến dạng vỏ ĐCP theo phương ngang và phương dọc. - Quá trình biến dạng vỏ động xảy ra như sau: Khi áp suất bắt đầu tăng thì biến dạng cũng bắt đầu xuất hiện. Khi áp suất đạt giá trị cực đại quá trình biến dạng vẫn tiếp tục tăng vì khi này ngoài ảnh hưởng của áp suất thì nhiệt độ vỏ động cơ tăng do nhiệt từ bên trong lòng động cơ truyền ra. Giá trị biến dạng đạt cực đại tại thời điểm khoảng 0,05 giây kể từ khi động cơ làm việc, lúc này áp suất đã giảm nhưng nhiệt độ vẫn tiếp tục tăng. Sau thời điểm này áp suất trong lòng động cơ giảm đột ngột do thuốc phóng đã cháy hết, biến dạng cũng giảm theo tuy rằng nhiệt độ vẫn tăng do độ trễ của quá trình truyền nhiệt. Điều đó cho thấy quy luật biến dạng vỏ động cơ phù hợp với quá trình cơ nhiệt khi động cơ làm việc. - Quá trình biến dạng dọc lớn hơn quá trình biến dạng ngang do vật liệu vỏ động cơ trong quá trình gia công đã được biến dạng vuốt mỏng theo chiều dọc. - Kết quả thực nghiệm đo biến dạng vỏ ĐCP tại hiện trường hoàn toàn phù hợp với kết quả mô phỏng bằng phần mềm ANSYS. Kết quả thực nghiệm nhỏ hơn kết quả mô phỏng là hợp lý vì trong bài toán mô phỏng các tham số đầu vào là áp suất và thời gian làm việc của động cơ được chọn lớn nhất, tuy nhiên trong thực tế áp suất và thời gian làm việc của động cơ nhỏ hơn. - Theo [1] giá trị biến dạng vỏ của động cơ phóng cho phép ≤ 5000 µm/m, qua kết quả đo được tại hiện trường từ đồ thị hình 8 giá trị biến dạng cực đại theo phương dọc là Cơ kỹ thuật & Kỹ thuật cơ khí động lực Đ.D.Việt, H.X.Lượng, “Nghiên cứu đo biến dạng phòng không tầm thấp.” 170 3031,83 µm/m và giá trị biến dạng cực đại theo phương ngang là 1467,17 µm/m, ta thấy vỏ ĐCP đủ bền khi động cơ làm việc. 4. KẾT LUẬN Kết quả giá trị biến dạng vỏ ĐCP tên lửa phòng không tầm thấp đo được bằng công nghệ tem biến dạng mà nhóm tác giả thực hiện phản ánh đúng quy luật biến dạng vỏ động cơ phù hợp với quá trình cơ nhiệt khi động cơ làm việc đã góp phần đánh giá động cơ phóng tên lửa chế tạo trong nước đạt chất lượng tốt, đủ bền khi làm việc. Trên cơ sở này có thể áp dụng công nghệ tem biến dạng để đo biến dạng của động cơ hành trình tên lửa phòng không tầm thấp và các động cơ của các loại tên lửa khác, từ đó có những hiểu biết sâu phục vụ công tác thiết kế và cải tiến vũ khí trang bị. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. “Τехническая документация на изделие”, 9M39.04.00. [2]. Đào Mộng Lâm, Trình Hữu Tuấn, Đoàn Hồng Ngọc, “Về một giải pháp đo mô phỏng kiểm tra độ bền cấu trúc thân vỏ của thiết bị bay”, Tạp chí NC KHKT&CNQS, số 5 (2010), tr 28-33. [3]. Trình Hữu Tuấn: “Về một giải pháp đo ứng suất – biến dạng thân vỏ của thiết bị bay”, Tạp chí NC KHKT&CNQS, số đặc biệt (08-2010), tr 46-50. [4]. Trình Hữu Tuấn, Đào Mộng Lâm, Nguyễn Thanh Bình, “Đo phân bố biến dạng đường chu vi và đường sinh trên thiết bị bay”, Tạp chí NC KHKT&CNQS, số 13 (06-2011), tr 12-16. [5]. James F. Doyle, “Modern experimental stress analysis”, John Wiley & Sons Ltd, (2004), pp. 3-5. [6]. Sabrie Soloman, “Sensors handbook”, McGraw-Hill, NewYork (1998). [7]. Фахрутдинов И.Х, Котельников A.B, “Конструкция и Проектирование РДТТ”, Машиностроение, Москва (1987). ABSTRACT RESEARCH ON MEASURING THE LAUNCH ENGINES SHELL’S DEFORMATION OF THE SHORT-RANGE AIR DEFENSE MISSILE In the research and manufacture the launch engines of short-range air defense missile, in addition to launch technical tests, it’s necessary to have technical testing to evaluate the durability of engines shell during work. These launch engines have the very short working time (≈ 0,07s), during this process, engines shell is always heated by the impact of burning product inside engines. Therefore, there should be special solutions to select the experimental model to construct the compatible strain gauge measurement system for engines shell’s deformation. This paper presents a solution for this measurement system. The results are the basis for the evaluation the shell durability of launch engines of short-range air defense missile, which were manufactured using domestic technology according to design documents of foreigners. Keywords: Short-range air defense missile, Strain gauge, Engines shell’s deformation. Nhận bài ngày 31 tháng 5 năm 2016 Hoàn thiện ngày 08 tháng 6 năm 2016 Chấp nhận đăng ngày 09 tháng 6 năm 2016 Địa chỉ: 1 Viện Công Nghệ/Tổng cục CNQP; *E-mail: daoduyvietsp@gmail.com 2 Khoa cơ khí/Học viện Kỹ thuật quân sự.