Tehnologii (episodul 7): Motoarele rachetă cu combustibil solid; fundamente (partea I)

Pentru început vom stabili termenii care vor fi folosiți în acest articol și o definiție a lor împreună cu termenul utilizat în limba engleză, pentru a stabili exact sensul.

• Carcasă, înveliș, pereți, corpul motorului: partea exterioară a unui motor rachetă cu combustibil solid; alți termeni utilizați în text cu același sens sunt ‘cameră de ardere’ sau ‘motor’ (en: case)
• Agent de propulsie, propergol, combustibil, combustibil solid, propelant: amestec de substanțe chimice utilizat de motoarele rachetă (cu combustibil solid sau lichid) și care în urma arderii degajă gaz (en: propellant)
• Carburant: componentă chimică a combustibilului care arde în prezența unei substanțe (en: fuel)
• Comburant, oxidant: componentă chimică a combustibilului care are scopul de a întreține arderea (en: oxidizer)
• Încărcătură de propulsie, încărcătură, pulbere, cartuș: totalitatea combustibilului solid aflat în camera de ardere (en: grain)
• Forță de împingere, forță de tracțiune, tracțiune: forța care determină mișcarea rachetei (en: thrust)
• Sistem de inițializare a arderii, aprinzător, amorsor, dispozitiv de aprindere: componentă a motorului utilizată pentru aprinderea motorului (en: igniter)
• Ajutaj de reacție, ajutaj, ajutaj reactiv: componentă a motorului (en: nozzle)
• Secțiune critică: parte a ajutajului (en: throat)
• Ablațiune: proces prin care un corp pierde material în urma frecării (en: ablation)
• Acoperire, căptușeală (uneori blindaj): material aflat între pulbere și peretele camerei de ardere (en: liner)
• Blindaj, inhibitor: material utilizat pentru a acoperi suprafața combustibilului solid, oprind arderea pe acea suprafață
• Actuator: element de acționare utilizat pentru executarea comenzilor (en: actuator); în cazul rachetelor componentele care controlează suprafețele de control

Articolul introductiv a oferit câteva elemente de bază și vom continua din punctul unde am rămas. Este, deci, recomandată și încurajată parcurgerea lui dacă cititorul nu a făcut-o deja.

În continuare vom relua pe scurt câteva informații prezentate deja.
Dintre toate mijloacele de propulsie testate până acum, motoarele rachetă cu propulsie chimică sunt singurele utilizate pe scară largă pentru propulsia rachetelor. Sistemele de propulsie bazate pe reacții chimice au următoarele caracteristici:

• utilizează o reacție chimică într-o cameră de ardere pentru a produce un gaz la presiune mare și temperatură mare, utilizat ca agent de propulsie (acesta devine de fapt agent de propulsie la momentul la care se află în planul de intrare într-un ajutaj convergent-divergent);
• gazul își crește volumul la trecerea prin ajutaj, fiind eliminat în mediu cu viteză supersonică.

Expansiunea gazului în ajutaj este un proces termodinamic în care aproximativ jumătate din entalpia (potențialul termodinamic) determinată de reacția chimică este convertită în energie cinetică asociată gazelor evacuate. Motoarele reactive bazate pe energia chimică fac parte din categoria sistemelor numite sisteme de propulsie cu jet termodinamic. În aceste sisteme, ca și în cazul motoarelor cu reacție, toate componentele – cu excepția ajutajului – reprezintă un generator de gaz care alimentează cu gaze la presiune și temperatură ridicate un ajutaj.

Cantitatea de energie pe care o are gazul rezultat în urma reactiei chimice este limitată de natura legăturilor chimice ale substațelor implicate în reacție și a produsului reacției; din acest motiv motoarele rachetă cu combustibil chimic sunt frecvent numite sisteme de propulsie cu energie limitată (energy-limited rocket propulsion systems). Această limitare trebuie luată în calcul în special la motoarele utilizate în spațiu, vehiculele spațiale având de obicei nevoie de o cantitate mare de energie pe unitate de masă de combustibil consumat.

Motoarele cu combustibil solid (MRCS, MCS) au fost – așa cum cu toții știm – primele motoare utilizate de rachete. Schimbările care au avut loc de-a lungul timpului au crescut performanțele lor, în acest moment fiind utilizate în domeniul militar, spațial, la scaunele ejectabile ale avioanelor, la rachete de semnalizare, la rachete de control al condițiilor meteo și la separarea treptelor rachetelor. Sunt diferite ca dimensiuni, compoziție a combustibilului, profil de ardere al acestuia, proprietăți fizice, performanță, având o forță de împingere de la 2 N la 12 MN. Propergolul se află stocat în camera de ardere, uneori închisă ermetic pentru stocarea pentru o perioadă mare de timp (5-20 ani).

MRCS pot fi împărțite în categorii în funcție de diverse criterii, câteva dintre acestea fiind mai jos:

• în funcție de utilizarea lor, detaliată mai jos;
• în funcție de dimensiuni (diametru, lungime): 0,005 – 6,6 m; 0,025 – 45 m;
• în funcție de combustibilul utilizat, subiectul unui posibil articol viitor;
• în funcție de modalitatea de realizare a carcasei: oțel, fibre, segmente;
• în funcție de configurația încărcăturii de propulsie: cilindrică, cruciformă, inelară, cu ardere frontală, etc;
• după cum este izolată pulberea: turnate sau nu;
• după forța de împingere generată în timp;
• după toxicitate;
• după pericolul de explozie.

Multă vreme motoarele cu combustibil solid nu au avut părți în mișcare, aceasta aplicându-se și astăzi majorității lor, însă au fost dezvoltate și motoare cu ajutaj orientabil pentru a realiza controlul direcției în care sunt îndreptate gazele evacuate. În comparație cu motoarele cu combustibil lichid sunt relativ simple, ușor de integrat (reprezentând mare parte a vehiculului), necesită întreținere minimă, însă nu pot fi verificate înaintea utilizării. Sumarizând, avantajele lor sunt prezentate în lista de mai jos:

• mai simple decât orice alt tip de motor;
• ușurința cu care pot fi manevrate;
• pot fi utilizate în orice moment;
• pot fi stocate fără a necesita condiții speciale;
• cost redus;
• probabilitate mult mai mică de a nu funcționa (față de motoarele rachetă cu combustibil lichid), având un număr mult mai mic de componente.

MRCS – prezentare generală (sursa: [3])

Diagramă a motorului STAR 27 (sursa: [3])

Principalele părți componente ale unui motor cu combustibil solid pot fi văzute în imaginile de mai sus sau, sumarizat, în imaginea următoare.

Secțiuni printr-un MRCS (sursa: [1])

Un procent de 80-95% din masa unui motor este reprezentată de propergol (propellant), compus din două substanțe (carburant și oxidant/comburant) amestecate care nu reacționează la temperaturi mai mici decât temperatura de aprindere. Sistemul de inițializare a arderii (igniter) – activat electric de obicei – oferă energia necesară începerii arderii combustibilului. În general combustibilul are în interior cavități și/sau canale de diverse forme și dimensiuni, acestea fiind responsabile pentru profilul arderii (suprafața de ardere determină forța de împingere – thrust și masa de gaz evacuat – mass flow – pe durata arderii). Gazele fierbinți se deplasează de-a lungul unui canal spre ajutaj.
Suprafața interioară a recipientului în care se află propelantul (un vas rezistent la presiune, de fapt), expusă în timpul arderii la temperatura gazului rezultat, este protejată printr-o izolație termică astfel încât aceasta poate rezista presiunii interne, așa cum a fost proiectată. Carcasa este de obicei realizată din metal (oțel, aluminiu, titan) sau un material plastic armat cu fibre.
Ajutajul (nozzle) accelerează gazele evacuate, fiind realizat din materiale rezistente la temperatură și eroziune. Așa cum am scris mai sus, ajutajul este fix însă există cazuri în care direcția în care sunt evacuate gazele poate fi schimbată prin mișcarea acestuia, rezultând astfel un control al direcției în care este aplicată forța de împingere.
Motoarele sunt conectate la vehicule printr-o structură care transmite forța de împingere, această structură fiind de obicei integrată în carcasa motorului.
Așa cum am mai spus, motoarele sunt proiectate pentru un anume scop, cu anumite caracteristici, pentru a rezista tuturor solicitărilor la care sunt supuse fără a ceda (ex: temperaturi ale mediului, forțele rezultate prin manevrare, accelerații, temperatură – neavând nici un sistem de răcire), cele mai frecvente aplicații ale lor fiind descrise mai jos.

 

Categorie	Utilizare	Caracteristici
Booster de dimensiune mare, motor treapta a doua	Vehicule spațiale, trepte inferioare ale ICBM	Diametru mare (peste 1m), L/D = 2-7, timp de ardere lung (60-120s), raport mic al suprafeței ajutajului (6-16)
MRCS pentru altitudine mare	Trepte superioare ale rachetelor balistice, vehicule spațiale	Propelant cu energie mare, raport mare al suprafeței ajutajului (20-200), L/D = 1-2, timp de ardere (40-120s)
Rachete tactice (accelerație mare)	Artilerie reactivă, rachete antitanc	Lansate din tub, L/D = 4-13, timp foarte scurt de ardere (0.25-1s), diametru mic (70-400 mm), unele rachete stabilizate prin rotație
Rachete antiaeriene	Ghidate sau neghidate: A-S, S-A, S-S, A-A	Diametru mic (70-400 mm), L/D = 5-10, propergol fără fum sau cu fum redus, stabilizate prin suprafețe portante
Rachete antibalistice	Pentru apărarea împotriva rachetelor balistice ru rază medie sau rază lungă	Utilizează un booster și o treaptă superioară cu manevrabilitate foarte mare (realizată cu ajutaje pentru controlul orientării)
Generatoare de gaz	Prima treaptă de lansare de pe submarine sau lansatoarele terestre, actuatoare, generatoare de curent electric, pornirea motoarelor cu reacție, pornirea turbinelor, airbag auto	De obicei utilizează un gaz cu temperatură joasă (1300 grade Celsius), sistemul fiind proiectat in funcie de scop.

Tabel 1 – aplicații ale MRCS

Ne vom ocupa în continuare în detaliu de componentele motorului rachetă cu combustibil solid. Evident, în spatele enunțurilor din secțiunile următoare își are locul multă matematică și fizică. La cererea cititorilor, ar putea fi interesantă dezvoltarea subiectului.

La proiectarea unui sistem de propulsie (MRCS în cazul nostru) se pleacă de la cerințe. Dacă este vorba despre o treaptă de start (booster) se iau în calcul doar cerințele lui. Dacă este vorba despre un motor de marș (sustain) al unei rachete tactice, proiectarea motorului se realizează după proiectarea aerodinamică a rachetei. Diagrama următoare prezintă procesul proiectării unei rachete tactice.

Diagramă proces de proiectare a unei rachete; sistemul de propulsie este doar o etapă (sursa: [43])

Determinarea mărimii unui MRCS este un proces care cuprinde mai multe iterații, detalii despre acest proces vor fi oferite în ultima parte a articolului.

 

1. Corpul motorului
Tehnologia utilizată la proiectarea și fabricarea motoarelor a avansat suficient de mult, astfel încât astăzi pot fi produse pentru orice aplicație motoare care să funcționeze eficient și sigur. Majoritatea problemelor apar în urma folosirii improprii a tehnologiei de fabricație și a materialelor, a unei analize defectuoase a proiectului, a lipsei controlului nedistructiv în cadrul procesului de producție sau a neînțelegerii specificațiilor. Proiectarea se face plecând de la specificațiile motorului și ale vehiculului care îl va utiliza, el fiind considerat partea principală a oricărei rachete. Optimizarea unei soluții alese presupune realizarea de compromisuri între parametrii pereților camerei de ardere și proiectarea vehiculului care îl va folosi, de cele mai multe ori constrângerile fiind date de posibilitățile de fabricare a sa și de asamblarea componentelor sale.

 

Sursa forței	Tip de forță
Presiune internă	Tensiune pe mai multe axe, vibrații
Forță de împingere axială	Axială, vibrații
Ajutajul motorului	Axială, îndoire, forfecare
Actuatoarele sistemului de control vectorial	Axială, îndoire, forfecare
Echipamentul de eliminare a forței de împingere	Îndoire, pe mai multe axe
Suprafețe de control sau aripi montate pe motor	Tensiune, compresie, îndoire, forfecare, torsiune
Etaje multiple	Îndoire, forfecare
Manevrare în zbor	Axială, îndoire, forfecare, torsiune
Masa vehiculului și vânt pe rampa de lansare	Axială, îndoire, forfecare
Oscilațiile vehiculului	Axială, îndoire, forfecare
Creșterea presiunii la pornire	Tensiune pe mai multe axe
Manevrare	Tensiune, compresie, îndoire, forfecare, torsiune
Transport	Tensiune, compresie, forfecare, vibrații
Cutremure (pentru motoare mari)	Axială, îndoire, forfecare

Tabel 2 – Forțe care acționează asupra carcasei MRCS

Pentru o rachetă pot fi valide doar unele dintre constrângerile de proiectare de mai sus. Pe lângă aceste aspecte, trebuie luate în calcul și condițiile de mediu și utilizare a motorului, acestea fiind: temperatura (încălzirea rezultată în urma funcționării, a frecării cu aerul, variția temperaturii ambientale în timpul stocării, stresul termic), coroziunea (având cauze chimice, galvanice), spațiul (influența vidului, radiațiilor).
Există trei categorii de materiale utilizate pentru a realiza pereții MRCS: metale cu rezistență mare (aliaje de oțel, titan, aluminiu), mase plastice armate cu diverse fibre și o combinație a acestora (pereți metalici cu un înveliș extern din materiale compozite sau pereți metalici cu un înveliș de plastic armat cu fibre și metal pentru o rezistență mecanică îmbunătățită). Raportul duritate-densitate (strength-to-density ratio) este mare pentru materialele compozite, ceea ce înseamnă că au o masă mai mică. Deși au și dezavantaje importante, motoarele realizate din fibre și material plastic sunt superioare din punct de vedere al performanței. Cele mai întâlnite materiale utilizate pentru corpul motoarelor sunt oțelul călit și aliajul de oțel care conține nichel, acesta (oțelul) fiind preferat pentru a obține o performanță ridicată la un cost redus de producție. Dacă motorul va degaja puțină căldură (așa este cazul motoarelor mici) poate fi utilizat aluminiul; având o temperatură maximă permisă mai mică decât a oțelului are însă nevoie de o izolație mai consistentă. Motoarele realizate din titan nu sunt întâlnite în practică datorită costului. Rachetele care utilizează motoare realizate din materiale compozite sunt LOSAT, PAC-3 și motorul treptei a treia a SM-3.

Rachetele pot avea și limitări din punct de vedere al volumului, nu doar al masei – de exemplu cele din VLS, limitate din punct de vedere al diametrului. În acest caz, chiar dacă masa materialelor compozite este cea mai redusă, este nevoie de o grosime mai mare a pereților camerei de ardere, deci volumul disponibil pentru propergol este în consecință mai mic.

Principalele aspecte luate în calcul la proiectarea corpului motorului se află în tabelul de mai jos. Acestea sunt temperatura maximă, eficiență volumetrică, masă, ușurința de atașare la corp sau lansator și mediul înconjurător. De asemenea, sunt oferite informații detaliate pentru fiecare material în parte.

 

Material	Temperatură	Eficiență volumetrică	Masă	Cuplare corp	Cost
Oțel	4	4	2	4	4
Aluminiu	1	1	2-3	3	3-4
Fâșii de oțel	2	4	3	1	3
Compozit	2	1	4	1	1
Titan	3	3	3	1	1

Tabel 3 – Caracteristicile materialelor (1 – nivel sub medie, 2 – nivel mediu, 3 – nivel peste medie, 4 – nivel superior)

 

Material	Rezistența N/mm^2 (10^3 psi)	Modul elasticitate N/mm^2	Densitate g/cm^3	Raport rezistență-densitate (1000)
Fibră de sticlă	1930 –3100 (280 – 450)	72000	2.5	1040
Kevlar 49	3050 –3760 (370 – 540)	124000	1.44	2300
Fibră de carbon	3500 –6900 (500 – 1000)	230,000 –300,000	1.53 – 1.80	2800
Epoxy	83 (12)	2800	1.19	70
Material compozit cu fibră de sticlă	1030 (150 – 170)	35000	1.94	500
Material compozit cu Kevlar 49	1310 (190)	58000	1.38	950
Material compozit cu fibră de carbon	2300 (250-340)	102000	1.55	1400
Aliaj titan	1240 (155 – 160)	110000	4.60	270
Aliaj oțel	1400-2000 (200 – 280)	207000	7.84	205
Aliaj aluminiu 2024	455	72000	2.79	165

Tabel 4 – Comparația între caracteristicile diverselor materiale utilizate la realizarea pereților MRCS

Raportul între masa propelantului și a motorului este de obicei influențat de masa pereților, putând lua valori între 0.7 și 0.94. Valoarea mai mare este întâlnită de obicei la motoarele utilizate de treptele superioare. Motoarele de diametru mic au un raport mai mic datorită grosimii peretilor (care nu poate fi redusă proporțional) și raportului între suprafața pereților (influențată de pătratul diametrului) și volumul camerei de ardere (influențată de cubul diametrului). Grosimea pereților motorului este mai mare decât a fost inițial determinată prin analiza stresului mecanic – pentru materialele compozite se mai utilizează două înfășurări iar pentru metale grosimea este determinată de procesele de fabricație.

Forma carcasei este determinată de configurația încărcăturii de propulsie și de constrângerile vehiculului legate de diametru. Configurațiile variază de la o formă cilindrică având lungime mare (raport D/R – diametru/rază – egal cu 10) la forme sferice sau aproape sferice. Forma sferică are avantajul unei mase minime a învelișului raportată la volumul intern. Carcasa este deseori un element cheie al structurii vehiculului și uneori trebuie să ofere posibilitatea de a monta alte componente: aripioare, fuste, canale de cablu sau actuatoare pentru control vectorial (vector control).

Companiile care proiecteaza motoarele utilizeaza analiza computerizata (FEM – finite element modeling) pentru a determina cea mai bună variantă de construcție care să determine un stres mecanic minim. Această analiză se realizează simultan cu analiza mecanică a încărcăturii de propulsie și analiza termică a ansamblului pentru a determina stresul termic și deformările.

Încălzirea rapidă a suprafeței interioare a motorului produce o variație mare de temperatură în pereți. Există informații și studii referitoare la transferul termic tranzient, putându-se aproxima evoluția temperaturii în timp în orice punct. Așa cum se va vedea, peretele interior este protejat de o izolație termică, realizându-se astfel un transfer redus al căldurii către pereții motorului. Pentru motoarele cu o singură utilizare, proiectanții urmăresc să păstreze temperatura carcasei la nivelul temperaturii mediului sau, dacă este cazul, la maximum 100 de grade Celsius deasupra temperaturii mediului.

Alte aspect care trebuie luate în calcul sunt modalitatea de atașare a ajutajului de motor, modalitatea de asamblare a vehiculului, sistemele de aprindere și modul în care este adăugată încărcătura de propulsie la motor. Uneori motorul poate avea atașate suprafețe aerodinamice, senzori, actuatoare ale sistemului de control al vectorului forței de împingere (thrust vector control) sau dispozitive de oprire a propulsiei. Asamblarea lor se face cu pini, inele sau șuruburi, fiind obișnuită utilizarea garniturilor pentru a preveni scurgerea gazului.

Partea a II-a

Iulian

 

Surse:
[1] U.S. Army Materiel Command – Engineering Design Handbook: Elements of Aircraft and Missile Design
[2] Alain Davenas – Solid Rocket Propulsion Technology
[3] George P. Sutton, Oscar Biblarz – Rocket Propulsion Elements, Eigth edition
[4] https://www.nakka-rocketry.net
[5] http://digitalvideo.8m.net/Rocketry/
[6] http://www.braeunig.us
[7] http://www.jacobsrocketry.com
[8] https://sugarshotsolidworks.wordpress.com
[9] http://www.tobynorris.com/work/stress/FEA/gen2.htm
[10] http://www.aerorocket.com/AeroIsp/AeroIsp.html
[11] NATO/R&TO – Internal Aerodynamics in Solid Rocket Propulsion
[12]Anca Constantin – Termotehnică, curs Universitatea Ovidius
[13] S. Sankar Reddy, C. Yuvraj, K. Prahlada Rao – Design, Analysis, Fabrication and Testing of CFRP with CNF Composite Cylinder for Space Applications, doi: 10.5923/j.cmaterials.20150505.03 (http://article.sapub.org/10.5923.j.cmaterials.20150505.03.html)
[14] TCR Composites Towpreg Winding Demo (https://www.youtube.com/watch?v=1A3vaJaNDLY)
[15] http://historicspacecraft.com/solid_fuel.html
[16] http://www.b14643.de/Spacerockets/Specials/ATK-Thiokol/index.htm
[17] http://www.nasa.gov
[18] http://www.spaceflightinsider.com/organizations/nasa/advance-booster-for-nasas-space-launch-system-completes-milestone/
[19] http://www.nationalmuseum.af.mil/Visit/Museum-Exhibits/Fact-Sheets/Display/Article/579636/minuteman-iii-second-stage-rocket/
[20] http://www.minutemanmissile.com/solidrocketboosters.html
[21] Crăciun Guță, Alexandru Marinescu – Calculul și construcția rachetelor, curs
[22] http://dare.tudelft.nl/2014/08/quality-control-of-solid-fuel-grains/
[23] http://vc.airvectors.net/tarokt_1.html
[24] http://www.roxelgroup.com/
[25] https://physics.stackexchange.com/questions/283628/de-laval-nozzle-geometry
[26] http://dark.dk/projects/Modular_solid_propellant_test_motor.html
[27] https://lokiresearch.com/images/Graphite/
[28] http://tqc.yuku.com/topic/2543/moon-burners#.WQn1sVWGP4Y
[29] http://flowsquare.com/
[30] http://www.ahpra.org/sounding.htm
[31] Amirhossein Adami, Mahdi Mortazavi, Mehran Nosratollahi – A New Approach to Multidisciplinary Design Optimization of Solid Propulsion System Including Heat Transfer and Ablative Cooling, doi: 10.5028/jatm.v9i1.717
[32] M.N. Dorobanțu, D.D. Olaru, N.A. Popa – Racheta, vehiculul viitorului
[33] Al. Marinescu – Introducere în dinamica rachetei
[34] Ștefan Ispas, Lică Constantinescu, Florea Triță – Racheta dirijată
[35] Florin Zăgănescu, Sorin Ispas – Avioane orbitale
[36] https://www.aerospacearchives.tk/solid-rocket-motor-igniters/pelleted-pyrotechnics.html
[37] https://engineering.purdue.edu/~propulsi/propulsion/rockets/solids.html
[38] https://www.nasaspaceflight.com/
[39] http://www.jht.com
[40] http://geminiguide.com/Systems/pyrotechnics.html
[41] http://up-ship.com/blog/?p=32046
[42] http://www.captainswoop.com
[43] E. Fleeman – Tactical Missile Design, Second Edition
[44] http://www.eastpendulum.com/la-chine-developpe-un-missile-air-air-tres-longue-portee
[45] http://armamentresearch.com/introduction-to-the-9m113-konkurs-atgm/
[46] http://www.military-today.com/missiles/malyutka.htm
[47] http://forums.eugensystems.com/viewtopic.php?t=41483&start=720
[48] https://www.nationstates.net/nation=hajirah/detail=factbook/id=413584
[49] http://www.sadefensejournal.com/wp/?p=507
[50] http://armamentresearch.com/us-produced-tow-2a-atgws-in-syria/
[51] http://www.armyrecognition.com/forum/viewtopic.php?t=448
[52] http://randysrocketry.blogspot.ro/2011/03/update-sidewinder-nozzle-comparison.html
[53] http://brown-moses.blogspot.ro/2013/11/is-syrian-military-using-another-type.html
[54] http://www.flickriver.com/photos/tags/atkrocketpropulsionsite/interesting/ ; https://www.flickr.com/photos/48113560@N03/
[55] http://navalaviationnews.navylive.dodlive.mil/2017/03/14/ramjet-new-threats-call-for-old-tech/
[56] http://www.pakistanaffairs.pk/threads/90484-India-to-test-Solid-Fuel-Ducted-Ramjet-Propulsion-Manufacturing-SFDR-Ground-Launcher