Tehnologii (episodul 7): Motoarele rachetă cu combustibil solid; fundamente (partea a IV-a)

După ce am văzut câteva aspecte ale construcției MRCS, descriind corpul și combustibilul, ajutajul și sistemul de aprindere, este momentul să încheiem, descriind procesul de proiectare și câteva exemple.

Procesul de poiectare nu este unul standard, neexistând în industrie o metodologie de proiectare, fiecare domeniu de utilizare a unui MRCS având propriile cerințe. În plus, proiectanții și companiile au abordări variate, depinzând de experiență, preferințe proprii sau elementele pe care se pune accent, informații existente legate de motoarele actuale, compoziția combustibililor, materialele disponibile, grad de noutate al motorului. De obicei în procesul preliminar de proiectare al motorului sunt luate în considerare aspectele din tabelul de mai jos.

Categorie	Exemple
Destinație	Scop, vehicul și cerințele lui, manevre, mediu de utilizare
Aspecte funcționale	Impuls total, variația forței de impingere în timp, masă inițială, impuls specific, accelerații, clasa (1.1 sau 1.3), timp de ardere, toleranțe
Interfețe	Aripi, conectarea la vehicul, alimentare, manevrare și transport, inspecție a pulberii, semnale de control, modalitate de transport
Operare	Stocare, lansare, limite de temperatură, vibrații, caracteristicile flăcării (fum, toxicitate a gazelor, radiații), timp de viață, sistem de siguranță, inspecție periodică
Structură	Accelerație și forțe care rezultă din funcționarea motorului și vehiculului, rigiditate pentru a rezista oscilațiilor, factori de siguranță
Sensibilitate (pentru aplicațiile militare)	Răspuns la impactul gloanțelor, detonare prin simpatie, rezistență la șocuri
Costuri	Să respecte criteriile legate de cost și timp de dezvoltare
Dezactivare	Metode de îndepărtare și reciclare a propergolului, dezactivarea sigură a motoarelor cu durată de viață expirată
Constrângeri	Limite de volum, diametru, lungime, cost maxim, performanța minim acceptată
Program	Respectarea termenelor legate de proiectare, testare, conformitate și calificare, livrare

Tabel 6 – MRCS, constrângeri și cerințe

Alegerea combustibilului și profilul pulberii sunt determinate la începutul procesului de proiectare, nefiind ușor pentru un combustibil să răspundă cerințelor de performanță (impuls specific), rată de ardere pentru a corespunde variației forței de impingere în timp și rezistență mecanică.

Parcurgerea primei etape poate avea loc de mai multe ori, pentru a armoniza parametrii de proiectare și a obține o soluție care să corespundă cerințelor. Pașii care sunt parcurși în această primă etapă sunt:

• specificarea unei altitudini și un profil al forței de împingere în timp;
• presupunerile sunt făcute pe baza tipului de combustibil ales, presiunii dorite în camera de ardere, suprafața de ardere, geometria ajutajului;
• se estimează o forță de impingere și un impuls specific; dacă acestea sunt acceptabile se trece la pasul următor, altfel se revizuiesc primii pași;
• determinarea masei combustibilului și a vitezei de ardere; dacă sunt acceptabile se trece la pasul următor;
• determinarea diametrului și lungimii pulberii conform cerințelor și determinarea suprafețelor ajutajului.

Diagrama procesului de alegere a unui propergol (sursa: [43])

Este necesară efectuarea unei analize de integritate structurală, cel puțin pentru punctele unde solicitările le pot depăși pe cele tolerate de pulbere, carcasă sau alte componente cheie. O analiză a ajutajului ar trebui realizată de asemenea, în special dacă are complexitate mare sau conține un sistem de orientare a vectorului forței de împingere. Dacă se estimează ca va avea loc eroziunea lui, trebuie determinat impactul acesteia și dacă rezultatul este acceptabil. De asemenea, se realizează și o analiză acustică a cavității încărcăturii de propulsie, o analiză termică și o analiză a stresului mecanic în punctele critice.

Existând o interdependență între compoziția combustibilului, forma pulberii, analiza stresului la care este supusă ea și camera de ardere, analiza termică, proiectarea componentelor majore șî procesul de fabricație este dificilă finalizarea unuia din aspectele de mai sus fără a le lua în calcul pe celelalte, fiind nevoie în general de câteva iterații pentru a ajunge la o soluție finală.

Dacă performanța este un criteriu esențial, va trebui luată în considerare toleranța cumulată a performațelor componentelor – combustibilul, ajutajul, rata de ardere, suprafața inițială de ardere, masa combustibilului, presiunea din camera de ardere având fiecare propriile toleranțe. Costul este și el un factor care trebuie analizat în procesul de proiectare – în etapa de proiectare determinându-se utilizarea de materiale cu costuri cât mai mici, cu cost de producție cât mai mic, cât mai puține etape de asamblare sau utilizare de componente cu cost cât mai mic.

Rezultatul analizei și procesului preliminar de proiectare este un plan preliminar și un proiect preliminar, acestea oferind o estimare a performanței, costurilor, modalității de producție, materialelor, dimensiunilor și masei motorului, deplasarea centrului de greutate și desene realizate prin intermediul CAD. După evaluarea, validarea și aprobarea sa se va realiza proiectul final care va conține toate detaliile componentelor și subansamblelor, acestea fiind în general supuse unui nou proces de evaluare și aprobare. Testele de conformitate și calificare pot implica un motor (pentru MRCS mari, proiectate plecând de la proiecte mai vechi, construite în număr mic) sau 10-30 de motoare (dacă este vorba de un număr mare de motoare care vor fi fabricate). Proiectul final va conține desenele detaliate ale motorului, lista tuturor subansamblelor și componentelor, operațiile de fabricare, materialele utilizate, testele efectuate, procedura de testare.

În mai multe ocazii au existat referiri la costuri. Acesta (costul combustibilului și al restului componentelor motorului) este influențat de următoarele aspecte:

• costul materiei prime;
• costul procesului de fabricație;
• cantitatea solicitată și graficul de livrare;
• specificații tehnice, condiții de control și acceptare.

Comparația costurilor motoarelor în funcție de furnizor/fabricant este dificilă, din cel puțin două motive:

• cantitățile comandate și graficul livrărilor nu este același;
• regulile utilizate pentru a determina costul (amortizări, materii prime, investiții suportate sau nu de guvernul care a făcut comanda) sunt diferite.

Pentru motoarele de dimensiuni mari (utilizate la rachete balistice sau vehicule spațiale) cheltuielile sunt impărțite astfel:

• carcasă: 28 %;
• ajutaj: 22 %;
• izolație termică: 6 %;
• combustibil: 27 %;
• asamblare finală: 17 %.

Pentru rachetele tactice, cu o complexitate mică a ajutajului, costul combustibilului poate fi chiar și 50 % din cel al motorului, scăzând proporția costurilor ajutajului și izolației termice. De asemenea, componenta principală a costului unui motor este forța de muncă – aproximativ 55 % din total. Reducerea costurilor poate fi așadar realizată prin automatizare, însă aceasta este justificată doar dacă se desfășoară programe de anvergură.

Durata de timp cât o rachetă va fi în serviciu este una din cele mai importante întrebări la care proiectanții trebuie să răspundă în timpul dezvoltării unui nou amestec sau al unui nou motor. Clientul sau contractorul vor dori să aibă o estimare inițială a timpului de viață și, deci, a costului de înlocuire a motorului. De obicei după alegerea unui propergol și la finalul fazei preliminare se poate realiza un test de îmbătrânire accelerată (trecerea pulberii printr-un proces de stocare la temperatură mai mare decât cea ambientală, aceasta accelerând procesele chimice din combustibil), în urma acestuia putându-se realiza o estimare a duratei de viață a unei pulberi sau a unui motor. Evident, deși utile, aceste teste nu pot oferi o estimare exactă a duratei de viață deoarece pulberea este supusă mai multor acțiuni decât cea a temperaturii în timp.

 

Înainte de încheiere

Unele motoare au o configurație diferită de cea standard și este momentul să spunem câteva cuvinte și despre ele.

Imposibilitatea de a opri funcționarea unui motor și nevoia de a simplifica vehiculele au dus la construcția unor motoare care ard în mai multe etape (solid pulse motor). În cazul acestor motoare încărcătura de propulsie este împărțită în mai multe segmente, separate prin bariere termice sau mecanice. Avantajul lor este că au un impuls specific mare, însă numărul de pulsuri este limitat.

Motor cu mai multe pulsuri (sursa: [43])

Motoare cu mai multe pulsuri și configurații diferite ale pulberii (sursa: [43])

Motor cu două pulsuri conceput de DRDO (ACTTMul indian) (sursa: [44])

Deoarece temperatura gazelor evacuate influențează, așa cum am văzut, modalitatea de construcție a ajutajului și materialele utilizate, s-a încercat și reducerea temperaturii la suprafața lui prin răcirea cu peliculă. Pentru a realiza aceasta, în cazul combustibilului MRCS cu canal interior se folosesc de fapt două pulberi: una cu temperatură joasă de ardere aflată spre ajutaj și una cu temperatură mare de ardere spre interior. Cu o organizare de genul acesta temperatura stratului de gaz în contact cu ajutajul este mai joasă decât a gazului care iese prin centrul ajutajului. Evident, trebuie ca viteza de ardere a celor două pulberi să fie egală.

S-a încercat în timp realizarea unor ajutaje care să răspundă mai bine performanței pe care trebuiau să o aibă (de exemplu ajutajul are o performanță optimă la altitudini diferite dacă este diferit ca formă). Astfel, au fost realizate ajutaje telescopice sau ajutaje care își schimbă forma prin separarea unei părți a lor.

O altă categorie de MRCS sunt cele care odată consumat combustibilul din camera de ardere se transformă în statoreactoare (ducted rocket, solid fuel ramjet – SFRJ).

SFRJ (sursa: 1 – [55], 2 – [56])

S-a afirmat, de asemenea, că MRCS au un ajutaj dispus în partea posterioara; ei bine, în practică se intâlnesc excepții de la această situație generală. Există motoare care au mai mult de un ajutaj – de exemplu motorul primei trepte a rachetei (ICBM) Minuteman III și motoarele rachetelor stabilizate giroscopic.

Ajutaj al unui MRCS pentru o rachetă stabilizată giroscopic de producție iraniană (sursa: [53])

Motorul primei trepte a Minuteman III are 4 ajutaje (sursa: [42])

Generația anterioară de rachete antitanc a utilizat motoare cu două ajutaje aflate în același plan sau patru ajutaje, care evacuau oblic gazele. 9M14 Malyutka/AT-3 Sagger, 9M113 Konkurs/AT-5 Spandrel, BGM-71 TOW au avut această configurație. Însă au existat și MRCS de mari dimensiuni care au fost proiectate asemănător – de exemplu unul dintre motoarele de salvare ale modulului de comandă al rachetelor Saturn V.

Racheta 9M113 Konkurs (sursa: 1 – [45], 2 – flickr, 3 – [45])

Racheta 9M14 Malyutka (sursa: 1 – [47], 2 – [46], 3 – [48], 4 – [49])

Racheta BGM-71 TOW (sursa: 1 – [50], 2 – [51], 3 – [51], 4 – [51])

Motor al rachetei Saturn V (sursa: [15])

În loc de final, vom arunca o privire la câteva MRCS.

MRCS realizate de Roxel (sursa: [24])

Pentru pasionați au fost amenajate muzee ale rachetelor (rocket gardens), celebre fiind NASA Rocket Garden din Kennedy Space Center în Merritt Island Florida, Air Force Space & Missile Museum din Cape Canaveral Florida, NASA Goddard Rocket Garden în Maryland, White Sands Missile Range din Las Cruces New Mexico, Musee de l’Air et de l’Espace din Le Bourget Franța. Imaginile de mai jos sunt din Thiokol Rocket Garden în Promontory, Utah.

Motoarele rachetelor SM2 și Patriot; Thiokol Rocket Garden, Utah (sursa: [54])

Racheta Minuteman; Thiokol Rocket Garden, Utah (sursa: [54])

Racheta Spartan; Thiokol Rocket Garden, Utah (sursa: [54])

Motoarele rachetelor TOW și Hellfire; Thiokol Rocket Garden, Utah (sursa: [54])

MRCS care în urma arderii combustibilului solid din camera de ardere se transformă în statoreactor; Thiokol Rocket Garden, Utah (sursa: [54])

Secțiune a motorului rachetei Arcus (ajutaj, cameră de ardere, combustibil) (sursa: [30])
Prima treaptă a motorului rachetei (ICBM) Minuteman III: curățare carcasă după fabricare, umplere cu combustibil, verificare utilizând razele X, test static (sursa: [42])

Și o imagine care să reamintească toate informațiile prezentate până acum.

MRCS, componente (sursa: [37])

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