Nghiên cứu tính toán sơ bộ các thành phần thuốc cho bộ lửa điện kiểu дп4-3

Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Tên lửa, 09 - 2016 315 NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN SƠ BỘ CÁC THÀNH PHẦN THUỐC CHO BỘ LỬA ĐIỆN KIỂU ДП4-3 Tạ Xuân Khoa, La Quán Trung, Đỗ Quý Thẩm* Tóm tắt: Bộ lửa điện thường có ba lớp thuốc là thuốc bắt lửa, thuốc trung gian và thuốc tăng lửa. Trong quá trình thiết kế bộ lửa điện ta phải tiến hành tính toán thiết kế sơ bộ các lớp thuốc này, bao gồm lựa chọn định tính và tỷ lệ các thành phần thuốc, khối lượng và mật độ của lớp thuốc. Bài báo sẽ trình bày về phương pháp và kết quả nghiên cứu tính toán xác định sơ bộ các lớp thuốc thuốc cho một loại bộ lửa điện điển hình kiểu ДП4-3. Phương pháp này có thể áp dụng cho các loại bộ lửa điện khác. Từ khóa: Tên lửa, Hỏa cụ, Bộ lửa điện, Thành phần thuốc hỏa thuật. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Bộ lửa điện được sử dụng rất nhiều trong lĩnh vực tên lửa. Bộ lửa điện có chức năng tạo ra tia lửa mồi cháy cho động cơ phóng hoặc động cơ hành trình, tạo ra áp suất để sinh công mở các van của hệ thống khí nén,... Bộ lửa điện thường có ba lớp thuốc là thuốc bắt lửa, thuốc trung gian và thuốc tăng lửa. Trong quá trình thiết kế bộ lửa điện ta phải tiến hành tính toán thiết kế sơ bộ các lớp thuốc, bao gồm lựa chọn định tính và tỷ lệ các thành phần thuốc, khối lượng và mật độ của lớp thuốc. Trong nước, phương pháp tính toán thiết kế sơ bộ các lớp thuốc cho bộ lửa điện chưa được trình bày một cách chi tiết. Trên cơ sở tìm hiểu tài liệu về bộ lửa điện УДП1-3 của nước ngoài [5, 6] cũng như những tài liệu khác, nhóm tác giả đã tiến hành nghiên cứu tính toán thiết kế sơ bộ được các lớp thuốc phù hợp với điều kiện công nghệ hiện có về thuốc hỏa thuật của Việt Nam, phục vụ cho việc thiết kế, chế thử theo mẫu bộ lửa điện kiểu ДП4-3. Đây là loại bộ lửa điện được sử dụng trên tên lửa đối hải 3M-24Э (Nga). Bộ lửa điện kiểu ДП4-3 đã được chế thử và thử nghiệm thành công đạt các thông số tương đương sản phẩm nguyên mẫu của Nga. Sau đây, bài báo sẽ trình bày cụ thể về những nội dung này. 2. NỘI DUNG CẦN GIẢI QUYẾT 2.1. Mô tả chung về bộ lửa điện kiểu ДП4-3 [3] 2.1.1. Tác dụng [3] Bộ lửa điện kiểu ДП4-3 thực hiện các chức năng sau: - Mở van của các hệ thống cấp khí vào cụm mở cánh, cụm máy lái; - Mở van của hệ thống khí nén bình nhiên liệu. 2.1.2. Các thông số chính [3] - Điện trở mỗi cầu trở đốt, : 0,6 ... 1,2 - Dòng làm việc tin cậy của một cầu trở, A: 1,5 ± 0,1 - Dòng an toàn của một cầu trở, A: 0,2 ± 0,05 - Áp suất làm việc (đo trong bom áp suất có thể tích 6 cm3), không nhỏ hơn, MPa: 60 2.1.3. Cấu tạo và hoạt động [3] 316 trong đó có bốn cọc tiếp điểm cọc tiếp điểm có hàn một dây cầu trở tăng l Để đảm bảo lắp đúng giắc cắm điện với bộ lửa điện, tr bắt lửa, đốt cháy khí thu 2. bộ 2.2. thu [1, 2, 4, 5, 6, 7], c định tính B Trong thân (1) có nh Khi c 2. lửa điện 1. Đi ốc của bộ lửa điện ộ lửa điện ửa ốc có Kết L ều kiện không cho phép ta tiến h (10), có l ấp điện áp l qu ựa chọn định tính các th các thành ph - L - L - L 1 9- nhi ả ki ớp thuốc bắt lửa (lớp thuốc tạo lửa) + Chì s ớp thuốc trung gian: + + + Keo nh ớp thuốc tăng lửa + + B + Keo NC C T.X. Khoa, - Thân; 2 5- Ống tạo luồng khí; 10 nghiên c ểu Kali p Chì f Kali p kiểu Vành ắp lớp ệt đ ДП ũng nh ột nhôm Hình 1. vành ên các c thu ộ 4 typhnate kết tinh erclorat erua erclorat L.Q.Trung, Đ.Q.Th ДП - làm và áp su ứu t -3 ДП ần ựa thông 4- Cụm tiếp điể kín; ồi làm kín (5), ốc [1, 2, 4, 5, 6 4 ư công ngh cho ba l 3 có c Cấu tạo của bộ nổ điện lớp thuốc ầu trở, cầu trở bị đốt nóng, l trung gian r ính toán -3 : ( 6 ất r ành ph nguyên m KClO Pb 12%; Al; ấu tạo 3) - Ống; 7 ất cao ớp thuốc của b 2 KClO 24 tạo thành hai cặp cọc tiếp điểm (4). m - Thu b , 7 ệ hiện có trong n 4 [Fe(CN) H31 ẩm, “Nghi (h ; ắt lửa (7) ống (6), nắp bịt (8) v ồi đến lớp thuốc để thực hiện chức năng xác đ ] ần thuốc ành phân tích đ ẫu. Căn cứ v C ; 4; N ình 3- - Thu ốc 6H(NO 9O Cọc tiếp điểm trung gian v ịnh s : 6].3H 38. ên c 1) ốc bắt lửa; 8 , ộ lửa điện 2 2 gồm thân ki lớp thuốc trung gian v ơ b )3PbO O; ứu tính toán ểu ên thân có v ộ các th ào các tài li ước, nhóm tác giả đ Cơ h ДП à tăng l ể xác định các th 2.H ọc ( 4 ; 4 thu à àm kiểu 2O; & Đi 1) -3 - C - N ốc ống tạo luồng khí (9). bùng ửa, sinh ành ДП ều khiển sơ b , cụm tiếp điểm . ầu trở; ắp bịt; tăng l như yêu c ệu của n ộ . ấu B. cháy ph 4-3 ki Giữa mỗi cặp ửa. ra m ần như sau thi ểu à l l ầu thu ành ph ư ã l ết bị bay ДП4 ớp thuốc ớp ột l . ốc ớc ngo ựa chọn - thu ượng cho : 3.” (2) ốc ần ài Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Tên lửa, 09 - 2016 317 Trình tự tính toán được thực hiện từ lớp thuốc tăng lửa, đến lớp thuốc trung gian và cuối cùng là lớp thuốc bắt lửa. 2.2.2. Tính toán định lượng sơ bộ lớp thuốc tăng lửa [1, 4 , 5, 6] Lớp thuốc tăng lửa là phần tử chính để sinh lửa, tạo ra nhiệt và áp suất mồi cần thiết. Uy lực của bộ lửa điện được xác định chủ yếu bởi lớp thuốc tăng lửa. Uy lực của lớp thuốc tăng lửa phụ thuộc vào thành phần, khối lượng và mật độ của nó. * Tính toán tỷ lệ thành phần lớp thuốc tăng lửa: Tính toán cân bằng oxy cho 1 g lớp thuốc tăng lửa như sau: - Chất oxy hóa (KClO4): + 0,462; - Chất cháy (bột nhôm Al): - 0,890; - Chất kết dính (keo NC C24H31N9O38): - 0,387. Giả thiết tỷ lệ Al là x [%], tỷ lệ KClO4 là y [%] và tỷ lệ C24H31N9O38 là z [%]. Ta lấy [1, 4, 5, 6]: z = 5 (%). (1) Vậy ta có [1, 4, 5, 6]: y = 100 – 5 – x = 95 – x. (2) Tổng đại số của lượng ô xy với tỷ lệ mỗi thành phần tương ứng phải bằng 0. Từ đó ta được [1, 4, 5, 6]: 0,462 . (95 - x) – 0,89 . x – (0,387 . 5) = 0 (3) Giải phương trình (3) ta có: x = 31 (%). Thay vào phương trình (2) ta được: y = 64 (%). Vậy, thành phần lớp thuốc tăng lửa của bộ lửa điện ДП4-3 như sau: - KClO4 64%; - Al 31%; - C24H31N9O38 5%. * Tính mật độ lớp thuốc tăng lửa [1, 4, 6]: Mật độ lớn nhất qmax [g/cm 3] của lớp thuốc bất kỳ được tính theo công thức [6 ]: max 1 2 1 2 100 ... n n q xx x q q q     (4) Trong đó: x1 , x2 , xn [%]– Tỷ lệ các thành phần; q1, q2, , qn [g/cm 3]– Mật độ của các thành phần. Mật độ của lớp thuốc q [g/cm3] có tính đến hệ số nén ép Kc được tính bằng công thức [6]: q = Kc . qmax (5) Hệ số Kc được xác định chính xác trong quá trình nén ép thực tế [6]: Kc = 40% - 60%. (6) Ta tạm lấy [6]: Kc = 50% = 0,5. (7) Ta đã biết mật độ qi của các thành phần như sau [6]: Với Al là 2,72 g/cm3; Cơ học & Điều khiển thiết bị bay T.X. Khoa, L.Q.Trung, Đ.Q.Thẩm, “Nghiên cứu tính toán sơ bộ kiểu ДП4-3.” 318 Với KClO4 là 2,52 g/cm 3; Với C24H31N9O38 là 1,60 g/cm 3. Vậy: max 100 2,505 64 31 5 2,52 2,72 1,6 q     (g/cm3). q = 0,5 . 2,505 = 1,268  1,3 (g/cm3). * Tính khối lượng lớp thuốc tăng lửa [1, 3, 4, 5, 6]: Khối lượng của lớp thuốc tăng lửa ω [g] phải đủ để tạo ra áp suất cháy P [kG/cm2] cần thiết. Áp suất cháy P được tính theo công thức [6]: . . f P V      (8) Trong đó : V [cm3]– Thể tích của buồng cháy; f [kG/cm2.cm3/g]– Lực lớp thuốc; α [cm3/g]– Lượng cộng tích của khí thuốc cháy. Từ (8) ta có: V f P     (9) Nếu P=651 kG/cm2 (giá trị theo tiêu chuẩn), V≈6 cm3, f=4718 kG/cm2.cm3/g và α = 0,248 cm3/g [1, 3, 6] thì: 6 4718 0,248 651     0,8 (g) Ta chọn khối lượng lớp thuốc tăng lửa là: ω = 800 ± 50 mg. 2.2.3. Tính toán định lượng sơ bộ lớp thuốc trung gian [1, 4 , 5, 6, 7] Lớp thuốc trung gian có tác dụng làm tăng khả năng mồi cháy tin cậy lớp thuốc tăng lửa từ xung nhiệt ban đầu do lớp thuốc bắt lửa tạo ra. Lớp thuốc trung gian nằm giữa lớp thuốc bắt lửa và lớp thuốc tăng lửa. Ta chọn mác thuốc СгСж45П55К2 (được sử dụng để chế tạo lớp thuốc trung gian – tăng lửa trong một số sản phẩm hỏa thuật của Dự án “I”) làm lớp thuốc trung gian cho bộ lửa điện kiểu ДП4-3 với thành phần và tỷ lệ như sau [7]: - Kali perclorat KClO4 (55±1,5)%; - Chì ferua Pb2[Fe(CN)6].3H2O (45±1,5)%; - Keo nhựa thông 12% (1±0,2)% (tính ngoài). * Tính khối lượng lớp thuốc trung gian: Khối lượng giới hạn G [g] của lớp thuốc trung gian phụ thuộc vào diện tích bề mặt của lớp thuốc trung gian theo công thức sau [6]: G = qgh . 2. 4 chd (10) Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Tên lửa, 09 - 2016 319 Trong đó: qgh [g/cm 2]– Khối lượng giới hạn của lớp thuốc bắt lửa trên 1 cm2 diện tích bề mặt của lớp thuốc trung gian; dch [cm]– Đường kính của liều trung gian. Ta có: qgh = 0,1 g [6, 7] và dch = 1,5 cm [3]. Vậy: G = 0,1 . 23,14 . 1,5 4  0,16 (g). Ta chọn khối lượng lớp thuốc trung gian là: 160  20 mg. * Tính mật độ lớp thuốc trung gian: Ta có mật độ của các thành phần là [1, 4, 6]: Với KClO4 là 2,52 (g/cm 3), với Pb2[(Fe(CN)6].3H2O là 3,82 (g/cm 3). Mật độ lớp thuốc trung gian được tính theo công thức (4), (5) và (7) như sau: qmax = 100 55 45 2,52 3,82  = 2,975 (g/cm3); q = 0,5 . 2,975 = 1,488  1,5 (g/cm3). 2.2.4. Tính toán định lượng sơ bộ lớp thuốc bắt lửa [1, 4 , 5, 6] Khối lượng của lớp thuốc bắt lửa G [g] cũng được tính theo công thức (10) như sau [6]: ggh = 0,04 g [6, 7] và dch = 1,5 cm [3]. G = 0,04 . 23,14 . 1,5 4  0,060 (g). Ta chọn khối lượng lớp thuốc bắt lửa là: 60  5 mg. Mật độ lớp thuốc bắt lửa cần đạt khoảng 2,5 g/cm3. Kết quả tính toán sơ bộ với các lớp thuốc hỏa thuật của bộ lửa điện kiểu ДП4-3 được tổng hợp trong bảng 1. Bảng 1. Các thành phần thuốc hỏa thuật của bộ lửa điện УДП1-3 và kiểu ДП4-3. TT Tên lớp thuốc Thành phần Bộ lửa điện УДП1-3 [6] Bộ lửa điện kiểu ДП4-3 1 Lớp thuốc bắt lửa 1- Chì styphnate kết tinh C6H(NO2)3PbO2H2O Khối lượng 1105 mg Mật độ 2,5 g/cm3. 1- Chì styphnate kết tinh C6H(NO2)3PbO2H2O Khối lượng 605 mg Mật độ 2,5 g/cm3. 2 Lớp thuốc trung gian 1- Kali clorat KClO3 50±1,5% 2- Chì rodanit Pb(CNS)2 47±1,5% 3- Bari cromat BaCrO4 3±0,5% 4- Keo NC (C24H31N9O38) 1±0,2% (tính ngoài) 1- Kali perclorat KClO4 55±1,5% 2- Chì ferua Pb2[Fe(CN)6].3H2O 45±1,5% 3- Keo nhựa thông 12% 1±0,2% (tính ngoài) Cơ học & Điều khiển thiết bị bay T.X. Khoa, L.Q.Trung, Đ.Q.Thẩm, “Nghiên cứu tính toán sơ bộ kiểu ДП4-3.” 320 Khối lượng 20020 mg Mật độ 1,5 g/cm3. Khối lượng 16020 mg Mật độ 1,5 g/cm3. 3 Lớp thuốc tăng lửa 1- Kali perclorat KClO4 64±2,0% 2- Bột nhôm Al: 31±1,5% 3- Keo NC (C24H31N9O38) 5±1,0% Khối lượng 100050 mg Mật độ 1,3 g/cm3. 1- Kali perclorat KClO4 64±2,0% 2- Bột nhôm Al: 31±1,5% 3- Keo NC (C24H31N9O38) 5±1,0% Khối lượng 80050 mg Mật độ 1,3 g/cm3. Kết quả này về cơ bản trùng hợp với thành phần đơn thuốc đã biết của bộ lửa điện УДП1-3 do nước ngoài chuyển giao. Riêng với lớp thuốc trung gian ta chọn mác thuốc СгСж45П55К2 (là mác thuốc đã được sử dụng ổn định để chế tạo lớp thuốc trung gian – tăng lửa trong một số sản phẩm hỏa thuật tại Việt Nam). 2.2.5. Kết quả chế thử và thử nghiệm Nhóm tác giả đã kết hợp với một số đơn vị tiến hành nghiên cứu ổn định công nghệ và chế tạo thành công các thành phần thuốc hỏa thuật như đã được tính toán xác định sơ bộ ở trên để dùng cho bộ lửa điện kiểu ДП4-3. Nhờ đó, bộ lửa điện kiểu ДП4-3 đã được chế tạo và thử nghiệm đạt các thông số cơ bản tương đương với các sản phẩm nguyên gốc của Nga (bảng 2). Bảng 2. Kết quả thử nghiệm bộ lửa điện kiểu ДП4-3. TT Nội dung thử nghiệm SL (cái) Yêu cầu Kết quả 1 Kiểm tra dòng an toàn 1 cầu trở 30 Không phát hỏa với dòng (0,2±0,01) A 30/30 cái =100% đạt yêu cầu: Không phát hỏa 2 Kiểm tra dòng phát hỏa tin cậy 1 cầu trở 50 Phát hỏa với dòng dòng điện một chiều 1,5-0,2 A 50/50 cái =100% đạt yêu cầu: Phát hỏa 3 Đo áp suất làm việc 18 Áp suất không nhỏ hơn 60 MPa 18/18 cái = 100% đạt yêu cầu: Áp suất không nhỏ hơn 60 MPa 4 Thử khả năng mồi cháy tin cậy 10 Mồi cháy được lớp thuốc đen ở cự ly 150 mm. 18/18 cái =100% đạt yêu cầu: Mồi cháy được lớp thuốc đen ở cự ly 150 mm. 3. KẾT LUẬN Trong quá trình thiết kế bộ lửa điện ta phải tiến hành tính toán thiết kế sơ bộ các lớp thuốc, bao gồm lựa chọn định tính và tỷ lệ các thành phần thuốc, khối lượng và mật độ của lớp thuốc. Trên cơ sở tìm hiểu tài liệu về bộ lửa điện УДП1-3 của nước ngoài [5, 6] cũng như những tài liệu khác, nhóm tác giả đã tiến hành nghiên cứu tính toán thiết kế sơ bộ được các lớp thuốc phù hợp với điều kiện công Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Tên lửa, 09 - 2016 321 nghệ hiện có về thuốc hỏa thuật tại Việt Nam, phục vụ cho việc thiết kế, chế thử theo mẫu bộ lửa điện kiểu ДП4-3. Bộ lửa điện được chế tạo hoạt động tin cậy và đạt các tính năng đặt ra, phù hợp với các thông số đã được nêu trong tài liệu của Nga [3] cụ thể: - Điện trở mỗi cầu trở đốt, : 0,6 ... 1,2; - Dòng làm việc tin cậy của một cầu trở, A: 1,5; - Dòng an toàn của một cầu trở, A: 0,2; - Áp suất làm việc (đo trong bom áp suất có thể tích 6 cm3), không nhỏ hơn, MPa: 60. Phương pháp tính toán thiết kế này còn có thể áp dụng với những loại bộ lửa điện khác. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Ngô Thế Khuề, Phạm Quốc Hùng (dịch), “Thuốc phóng, thuốc nổ” - Trường ĐH KTQS (1983); [2]. Đỗ Quý Thẩm, “Bản vẽ sản phẩm Bộ lửa điện ДП4-3 ký hiệu A.J22CG.71.00.00”, Viện Tên lửa (2016); [3]. “Ракета 3M-24Э, Техническое описание, 78.0000.0000.00 TO1” (1996); [4]. В.П.Родионов, “Пиротехнические Cредства”, Изд. ПВАИУ-Пенза (1973); [5]. “Pyrotec Device – Electric Igniter UDP1-3 - Design Drawing” (1995); [6]. “Pyrotec Device-Electric Igniter UDP1-3 - Calculation Book” (1995); [7]. “Tài liệu thiết kế một số sản phẩm hỏa thuật của Dự án “I” (2002). ABSTRACT PRELIMINARY CALCULATION OF PYROTECHNIC COMPONENTS FOR THE ELECTRICAL FIRE-INIGTER DP4-3 Electrical fire-inigters often have three pyrotechnic charges, such as initiating, intermediate and output. During the design process electrical fire-inigters we have preliminarly calculate these charges, including qualitative selection and proportion of components, weight and density of the charges. The paper will present the method and results of the preliminary calculation of the charges for a typical type of electrical fire- inigter DP4-3. This method can be applied to calculate pyrotechnic charges for the different types of electrical fire-inigters. Keywords: Missile, Fire-inigter device, Electrical fire-inigter, Pyrotechnic component. Nhận bài ngày 15 tháng 06 năm 2016 Hoàn thiện ngày 20 tháng 08 năm 2016 Chấp nhận đăng ngày 05 tháng 09 năm 2016 Địa chỉ: 1 Viện Tên lửa / Viện KH-CN Quân sự. * Email: quytham@gmail.com.