Przegląd Wojsk Lotniczych i WOPK nr 06/1984
Technika i eksploatacja
Mjr mgr inż. ZBIGNIEW PRZĘZAK
Silniki rakietowe na paliwo stałe
Artykuł zawiera podstawowe (wiadomości z zakresu teorii rakietowych silników
na paliwo stałe; ich klasyfikacji, rodzaju stosowanych paliw, podstawowych charakterystyk;
paliw i praw ich spalania oraz wiadomości dotyczące zjawiska siły ciągu rakietowego.
Nazwa silnik rakietowy na paliwo stale (SRPS) kojarzy się ze stanem fizycznym w jakim
występuje paliwo. Paliwo to otrzymuje odpowiedni kształt i wymiary w czasie produkcji
nie zmienia ich aż do chwili spalania. związku z tym SRPS odznaczają się dość prostą konstrukcją
i znacznie niższymi kosztami wytwarzania niż silniki rakietowe na paliwo ciekłe.
Według przeznaczenia można je podzielić na silnik:
- startowe, które nadają rakiecie odpowiednią prędkość w krótkim
czasie. Ładunek napędowy silnika startowego składa się z wielu
ziaren (lasek), przez co powstaje duża powierzchnia spalania, a
zatem duża siła ciągu rakietowego. W rakietach przeciwlotniczych
silniki te powinny zapewnić nie tylko niezbędną prędkość zejścia
rakiet z wyrzutni, lecz przede wszystkim nadać im prędkość
umożliwiającą ściganie celu;
- marszowe, służące do utrzymania oraz zwiększenia prędkości, którą
uzyskała rakieta w czasie pracy silnika startowego. Charakteryzują
się małym ciągiem i długim czasem pracy;
- ogólnego przeznaczenia. Są to silniki o charakterystykach pośrednich
pomiędzy silnikami startowymi a marszowymi. Zalicza się do nich
silniki rakiet taktycznych niekierowanych, a w niektórych
przypadkach stopnie rakiet kierowanych;
- pomocnicze, o małych wymiarach i niedużej mocy. Spełniają one funkcje
pomocnicze, np. silniki korygujące służą do nadania powolnych
obrotów w celu zapewnienia rakiecie stabilizacji;
- laboratoryjne (wielokrotnego użycia). Przeznaczone są do badania stałych paliw
rakietowych oraz podstawowych charakterystyk SRPS.
Paliwa stałe są źródłem energii koniecznej do wytworzenia ciągu rakietowego.
Muszą spełniać odpowiednie warunki, takie jak:
- moc zapewniającą wymaganą wydajność energetyczną;
- określone granice wrażliwości na mechaniczne i cieplne
oddziaływanie oraz niezawodność eksploatacji;
- wysoka chemiczna i fizyczna trwałość podczas przechowywania w różnych
warunkach;
- zdolność do równomiernego spalania;
- jednorodność własności fizyczno-chemicznych i balistycznych całej
masy prochowej.
Rys. 1. Silnik rakietowy na paliwo stale: 1 — komora spalania; 2 — zapłonnik
elektryczny; 3 — podsypka zapalająca; 4 — ładunek napędowy; 5 — ruszt;
6 — przepona; 7 — dysza.
Stałe paliwa rakietowe można podzielić na jednorodne i niejednorodne. Jednorodne
(zwane również nitrocelulozowymi) są to zwykle wieloskładnikowe układy, których
energetyczne i fizyczno-mechaniczne właściwości określają azotany celulozy, rozpuszczone i splastyfikowane
nielotnymi rozpuszczalnikami.
Paliwa te, w zależności od właściwości rozpuszczalników, dzielą się na nitrocelulozowo-nitroglicerynowe,
w których rozpuszczalnikiem azotanu celulozy jest nitrogliceryna oraz nitrocelulozowo-nitroglikołowe,
gdzie rozpuszczalnikiem jest nitrodwuglikol.
Stałe paliwa niejednorodne są to paliwa w postaci mechanicznych mieszanin nieorganicznych
utleniaczy i substancji palnych. Substancje palne spełniają rolę lepiszcza. Ze
względu na substancję palną, paliwa niejednorodne mogą być: tiokolowe, butadienowe, polibutadienowe
i bitumiczne. Ze względu na rodzaj utleniacza — nadchloranowe, azotanowe i pikrynowe.
Poza podstawowymi składnikami, w celu uzyskania wymaganych właściwości balistycznych i
eksploatacyjnych do masy paliwa wprowadzane są substancje dodatkowe. Do masy koloidalnej paliw
jednorodnych wprowadza się substancje stabilizujące (np. oretany) zwiększające trwałość
chemiczną paliw w czasie ich przechowywania. W celu polepszenia właściwości balistycznych dodaje
się flegmatyzatory (np. tlenek magnezu), w celu powiększenia stabilności paliw przy małych
szybkościach spalania — katalizatory (np. tlenek ołowiu, kreda), a dla
polepszenia warunków technologicznych, związanych z wyrobem ładunków, do masy
paliw jednorodnych wprowadza się plastyfikatory (wazelinę lub oleje). Przez wprowadzenie np. sadzy
i grafitu, zmniejszamy wpływ promieniowania cieplnego na prędkość spalania.
Do podstawowych charakterystyk paliw stałych zaliczamy:
- ciepło spalania;
- temperaturę spalania;
- gęstość paliwa;
- normalną objętość właściwą gazowych produktów spalania.
Jest to objętość jaką zajmowałyby produkty spalania paliwa w
warunkach normalnych, gdyby woda zawarta w spalinach była w stanie
pary;
- siłę paliwa, czyli pracę jaką mogłyby wykonać produkty spalania
paliwa w chwili ich powstawania, podczas spalania w
objętości stałej, przy rozprężaniu do ciśnienia normalnego;
- współobjętość gazów. Przy wysokich ciśnieniach produktów
spalania gęstości gazów są tak duże, że cząsteczki
gazowe zajmują znaczną część objętości w której odbywa się
spalanie. Wpływ ten w równaniu stanu gazów
prochowych uwzględnia się jako współobjętość gazów;
- szybkość spalania paliwa przy ciśnieniu jednostkowym, czyli
szybkość spalania paliwa odniesioną do ciśnienia
jednostkowego. Określa się ją doświadczalnie, ma
zastosowanie w przypadku bardzo wysokich ciśnień;
- gęstość ładowania, wyrażającą stosunek masy ładunku do objętości w
której zachodzi spalanie.
Szybkość spalania paliwa w silniku rakietowym zależy od warunków
określających intensywność procesów przekazywania ciepła
przez produkty spalania warstwie powierzchniowej ładunku oraz od
zasobu energii cieplnej, zawartej w paliwie. Do czynników
określających intensywność wymiany ciepła pomiędzy produktami
spalania a częścią nie spalonego ładunku należy zaliczyć przede
wszystkim ciśnienie gazów otaczających ładunek i prędkość
gazów wzdłuż palącej się powierzchni oraz ich temperaturę. Ze
wzrostem tych wielkości intensywność wymiany ciepła rośnie,
powodując wzrost prędkości spalania. Zasób energii ciepła
ładunku określony jest przez jego temperaturę początkową. W nie
zmienionych warunkach w fazie gazowej otaczającej ładunek, prędkość
spalania rośnie ze wzrostem początkowym temperatury paliwa. Ze
względu na to, że temperatura produktów spalania uwarunkowana
jest składem paliwa, w przypadku rozpatrywania znanego paliwa
można ograniczyć się do analizy wpływu na prędkość spalania tylko
ciśnienia p, prędkości strumienia gazów w i
temperatury początkowej ładunku To:
u = u (p; w; To)
Zależność ta, ze względu na jej podstawowe znaczenie w teorii SRPS, nazywana
jest prawem szybkości spalania stałych paliw rakietowych.
Prawa powstawania gazów w RSPS są następujące:
- Szybkość powstawania gazów zależy od danych geometrycznych ziarna
paliwa, rodzaju paliwa i ciśnienia panującego w danej objętości.
- Między względną częścią spalonego ziarna paliwa a jego
względną grubością istnieje zależność, która
dla dowolnego kształtu ziarna paliwa ma postać:
Ψ=χz(1+λz+μz2)
gdzie:
Ψ
- względna część spalonego ziarna paliwa;
z - względna grubość ziarna paliwa;
χ,
λ, μ - współczynniki kształtu ziarna prochowego.
Względna powierzchnia spalania ziarna zależna jest od względnej grubości
spalonej warstwy ziarna paliwa (prawo zmiany powierzchni spalania
paliwa) i wyraża się wzorem:
δ=S/S1=
1+2λz+3μz2
gdzie:
δ
- względna powierzchnia spalania;
S - powierzchnia ziarna podczas
spalania w danej chwili;
S1 - początkowa powierzchnia
spalania ziarna.
Jeżeli w czasie spalania paląca powierzchnia ziarna maleje, wówczas
taki kształt ziarna nazywamy degresywnym; jeśli rośnie -
progresywnym. Natomiast jeśli paląca się powierzchnia nie ulega
zmianie, to taki kształt ziarna nazywamy neutralnym.
W SRPS mamy do czynienia ze zjawiskiem spalania paliwa i
powstawania gazów w warunkach przestrzeni niezupełnie
zamkniętej.
Rys. 2. Ziarno wstęgowe ładunku paliwa: 2b - szerokość wstęgi; 2c - długość wstęgi;
2e1 - początkowa grubość
ziarna; e - grubość spalonego ziarna w danej chwili; χ,
λ, μ - współczynniki kształtu ziarna wstęgowego; z - względna grubość ziarna paliwa
Przebieg ciśnienia w komorze spalania uzależniony jest wówczas od
bilansu dopływu i wydatku gazów. Wydatek sekundowy gazów jest określony wzorem:
σ = gßFW
gdzie:
F - pole przekroju poprzecznego strumienia gazów;
ß - gęstość gazów;
g - przyspieszenie ziemskie;
W - prędkość wypływu gazów z dyszy.
Parametrem charakteryzującym silnik rakietowy jest jego siła ciągu. Pod
pojęciem tym rozumiemy wypadkową Rr wszystkich sił
ciśnienia działających na całą powierzchnię rakiety:
Rr = Ro – R2+ R3 – Rz
gdzie:
Ro - wypadkowa sił działających na ścianki czołowe komory spalania;
R2 - siła działająca na stożek wylotowy dyszy, skierowana przeciwnie
do kierunku ruchu rakiety;
R3 - siła działająca na powierzchnię stożka wylotowego dyszy, skierowana zgodnie
z kierunkiem ruchu rakiety;
Rz - siła ciśnienia zewnętrznego, skierowana przeciwnie do ruchu rakiety, zaczynająca
działać w chwili otwarcia dyszy.
Podczas analizy zjawiska siły ciągu rakietowego przyjmujemy, że na
powierzchnię zewnętrzną rakiety działa równomiernie siła
ciśnienia atmosferycznego pz; oporu aerodynamicznego nie
uwzględniamy, a kierunek ruchu rakiety przyjmujemy za dodatni.
Rys.3 . Zmiana parametrów strumienia gazów prochowych w komorze spalania SRPS: W - prędkość gazów; T -
temperatura gazów; p — ciśnienie gazów; x -
odległość przekroju od dna SRPS; pz - ciśnienie
zewnętrzne.
Przy tych założeniach wzór na siłę ciągu ma postać:
Rr=(G/g)*W3 + F3(p3- p2)
Przy obliczeniach przybliżonych siły ciągu rakietowego można posługiwać się wzorem o postaci:
Rr=(G/g)*W3 + F3p3
Indeksy 2 i 3 w wyrażeniach oznaczają miejsce przekroju SRPS (zgodnie z rys.3).
BIBLIOGRAFIA
Szapiro J.: Balistyka zewnętrzna. MON. Warszawa 1956.
|