Materiale si tehnologii moderne folosite in constructia structurii de rezistenta a motoarelor racheta cu combustibil solid de la munitia reactiva


1. Materiale folosite in constructia structurii de rezistenta a motoarelor racheta cu combustibil solid (MRCS)

1.1. Generalitati privind materialele folosite in constructia structurii de rezistenta a MRCS

In constructia rachetelor cu combustibil solid cele mai des folosite materiale sunt: metalele de inalta rezistenta si materialele compozite.

Metale de inalta rezistenta sunt cele mai raspandite in constructia rachetelor cu combustibil solid. Din categoria metalelor de inalta rezistenta fac parte: aliajele diverselor metale (aluminiu, titan) si otelurile de inalta rezistenta (special aliate).

Aliajele pe baza de aluminiu au rezistenta specifica si duritatea superioara otelurilor si mult mai mari decat aliajele cu titan. Datorita si costului relativ redus, aliajele din aluminiu se folosesc pentru constructia unor ajutaje, a corpului MRCS ale rachetelor subacvatice.

Aliajele pe baza titan si otelurile de inalta rezistenta sunt larg intrebuintate in productia MRCS. Aceste aliaje sunt tratate termic si necesita tehnologii superioare. Otelurile de inalta rezistenta sunt acele oteluri care au rezistenta la rupere mai mare de 150 kgf/mm2. O asemenea rezistenta la rupere o ating numai otelurile cu continut ridicat de carbon mediu aliate si de oteluri martensitice de imbatranire rezistente la coroziune. Imbinarea proprietatilor superioare de rezistenta cu o plasticitate si tenacitate satisfacatoare se asigura prin alierea otelurilor cu diverse elemente, cum sunt: crom, siliciu, mangan, nichel, wolfram, molibden, titan.

1.2 Materiale compozite moderne folosite in constructia structurii de rezistenta a MRCS

In constructia rachetelor cu combustibil solid, au capatat o frecventa intrebuintare materialele compozite indeosebi materialele compozite fibroase de inalta rezistenta. Aceste materiale au imbunatatit considerabil parametrii rachetelor ducand la micsorarea masei pasive a MRCS. Materialele compozite fibroase au caracteristici de rezistenta superioare uneori aliajelor metalice si ele fac posibila realizarea unor structuri de rezistenta care s raspund cel mai bine specificului si conditiilor de functionare in domeniul tehnicii reactive.

Cea mai mare raspandire au capatat-o materialele compozite cu matrici polimerice (mase plastice) armate cu fibre din bor, care prezinta urmatoarele caracteristici: rezistenta la rupere 175 kgf/mm2; modulul de elasticitate E=2,2×104 MPa.

O alta categorie de materiale compozite folosite in constructia structurilor de rezistenta a MRCS sunt materialele compozite cu matrici polimerice armate cu fibre de carbon. Ele se realizeaza, in special, cu folosirea liantilor epoxidici si au urmatoarele proprietati: densitate (1,5…1,6)x103 kgf/m3; rezistenta la rupere 41-310 kgf/mm2; modulul de elasticitate (1,3…1,9)x106 MPa. De asemenea, materialele compozite cu matrici polimerice armate cu fibre de carbon poseda o rezistenta la oboseala statica foarte mare si proprietati de amortizare si rezistenta la vibratii mult superioare decat metalele. Conductibilitatea termica superioara a fibrelor de carbon asigura masei plastice un coeficient de dilatatie termica foarte mic de (1,5…5)x10-6 la 10 C la temperaturi cuprinse intre 20 – 3000 C.

S-au elaborat materiale compozite de tipul carbon – carbon pentru construirea structurilor de rezistenta a MRCS, la care in calitate de liant pentru fibrele din carbon se folosesc matrici de carbon grafitizate. Astfel de materiale au proprietati termoprotectoare superioare, cu actiune chimica inerta si care pastreaza caracteristicile de rezistenta la temperaturi foarte mari. Ele au urmatoarele caracteristici principale: densitatea 1,46×103 kgf/m3; rezistenta la rupere: la 200 C – 2181 kgf/mm2 si la 25000 C – 274 kgf/mm2. Compozitele carbon-carbon se folosesc indeosebi, pentru constructia partilor divergente ale aliajelor MRCS. Materialele compozite cu matrice metalica (Al, Mg, Ni) ranforsate cu fibre de carbon reprezinta o alta categorie de materiale compozite utilizate in constructia MRCS. Ele sunt ieftine si prezinta tehnologii simple si eficiente de fabricatie. De exemplu, compozitele cu matrice din nichel ranforsate cu fibre din carbon prezinta urmatoarele proprietati: densitatea 4,7×103 kgf/m3; rezistenta la rupere 80 kgf/mm2; modulul de elasticitate 2,66×108 MPa.

Materialele compozite cu matrice polimerica ranforsata cu fibre de sticla, fac parte din categoria materialelor compozite termoizolante care isi pastreaza proprietatile pana la temperatura de 10000 C, materiale care se folosesc cu succes in construirea diferitelor elemente componente ale MRCS. Pentru aceste materiale, fibrele de sticla se pot inlocui cu fibre de silice si de cuart, care isi pastreaza proprietatile pana la temperaturi de aproximativ 12000 C. Prezinta interes, de asemenea, materialele compozite obtinute prin combinarea matricilor polimerice (mase plastice) cu fibre organice. Fibrele organice sunt fibre polimer de inalta rezistenta care au urmatoarele proprietati: densitatea 1,45×103 kg/m3; rezistenta la rupere 80 kgf/mm2; modulul de elasticitate 1,3×108 MPa. Ele au rezistenta la actiunea substantelor chimice cu 20 – 30 % mai mare decat fibrele din sticla, rezistenta la deteriorari superficiale, sunt bune conducatoare de electricitate si au calitati termoizolatoare superioare, isi pastreaza rezistenta pana la temperatura de 2900 C. Alegerea materialului necesar obtinerii structurilor de rezistenta ale MRCS trebuie sa fie precedata de calcule privind eforturile si solicitarile la care sunt supuse diversele elemente ale rachetelor, precum si de un calcul tehnico-economic si o analiza a posibilitatilor tehnologice. In tabelul 1 sunt date caracteristicile comparative ale materialelor compozite principalele folosite in constructia structurii de rezistenta a MRCS.

Alegerea materialelor pentru constructia elementelor ajutajului (blocului cu ajutaje) este determinata de doua criterii de baza: repartizarea temperaturii de-a lungul ajutajului pe timpul functionarii motorului si actiunea chimica si eroziva a produselor de ardere asupra ajutajului.

Tabelul 1

Materialul

Densitatea

[1´ 10-3Kg/m3]

Rezistenta la rupere la tractiune

[1´ 10-9Pa]

Modulul de elasticitate

[1´ 10-9Pa]

Rezistenta specifica

[1´ 10-4j/Kg]

Duritatea

[1´ 10-4j/Kg]

Alungirea relativa limita [%]

Temperatura inceperii scaderii rezistentei fibrelor [0C]

Material plastic armat cu fibre de sticla

2,07

1,0- 1,1

39,2

47,3

1894

2,5

350

Material plastic armat cu fibre din bor

2,06

0,88

117

42,7

5680

0,75

500

Material plastic armat cu fibre carbonice

1,54

0,55

110

35,7

7143

0,5

2000

Material plastic armat cu fire organice

1,35

0,78

42,17

57,8

3124

2,1

80

Materialele pentru ajutajele MRCS trebuie sa indeplineasca urmatoarele proprietati: rezistenta la temperaturi inalte de pana la 3500 K0, rezistenta mare la rupere (tenacitate ridicata), rezistenta la eroziunea gazelor care curg cu viteza supersonica la temperaturi foarte inalte, densitatea scazuta si compatibilitatea privind aderenta cu straturile de acoperire interior si exterior. Ajutajul suficient de usor poate fi obtinut numai prin intrebuintarea in constructia sa a principiului stratificatiei (cand fiecare start separat indeplineste strict o functie determinata, iar tot ansamblul, in intregime, asigura capacitatea de lucru cu performante satisfacatoare. Pentru confectionarea ajutajelor MRCS este larg folosit grafitul si materialele compozite de tipul carbon-carbon.

Grafitul se caracterizeaza prin: rezistenta ridicata la solicitari termice, conductibilitate termica foarte mare si o rezistenta superioara la coroziune si eroziune. Exista mai multe tipuri de grafit industrial, din care cel mai raspandit pentru executarea elementelor ajutajelor este grafitul policristalin (dens). Grafitul policristalin are densitatea mare (1,8 – 2,0)x103 kg/m3 si se caracterizeaza printr-o rezistenta suficient de mare la eroziune. Grafitul cementat cu siliciu are o rezistenta foarte inalta la eroziune, rezistenta mecanica suficienta si un coeficient de dilatatie termica mic. Datorita faptului ca, atat grafitul, cat si siliciu, nu sunt materiale deficitare, tehnologia de prelucrare a lor este relativ simpla si acestea sunt intrebuintate destul de mult la constructia ajutajelor (blocurilor cu ajutaje) ale MRCS. In prezent, se foloseste tot mai mult grafitul pirolitic, care are o densitate aproape identica cu cea a grafitului policristalin si este foarte rezistent la temperaturi inalte (3500K). Caracteristicile principale ale grafitului pirolitic si a celui cementat cu siliciu sunt prezentate in tabelul 2.

 

Tabelul 2

Caracteristici

Grafitul pirolitic

Grafit cementat cu siliciu

Densitatea (1×10-3 kg/m3)

Caldura specifica (1 x 10-3 J/kgK)

Conductibilitatea termica (W/mK):

– de-a lungul placutei

– perpendicular pe suprafata placutei

Rezistenta la rupere la 200 C (1 x10-9 Pa)

Rezistenta specifica (1 x 10 6 Pa m3/kg;

– la 290 K

– la 2970 K

2,2 – 2,23

0,971

372

3,59

0,103 – 0,137

0,47 – 0,62

1,7

1,6 – 2,0

0,712

0,014 – 0,028

0,09 – 0,14


2. Procedee si tehnologii moderne de prelucrare a materialelor folosite in constructia structurii de rezistenta a motoarelor racheta cu combustibil solid (MRCS)

In continuare sunt prezentate cateva tehnologii moderne de realizare a unor elemente constructive importante din compunerea rachetelor cu combustibil solid, folosindu-se materialele compozite. Una din particularitatile principale ale materialelor compozite, consta in faptul ca odata cu formarea materialului are loc si executarea elementului de constructie dorit. Aceasta particularitate implica necesitatea cunoasterii si rezolvarii problemelor tehnologice, de constructie si de rezistenta.

2.1. Tehnologia de fabricatie prin infasurare a structurii de rezistenta a MRCS din material compozit cu matrice din material plastic armat cu fibre de sticla

Procedeele de fabricatie a corpurilor MRCS prin infasurare din materiale compozite polimerice armate cu fibre din sticla, precum si a divergentului ajutajelor si carcaselor amorselor, sunt urmatoarele:

  • infasurarea tesuta: permite obtinerea unei structuri textolitice ermetice pe baza de tesatura de sticla pentru corpurile cilindrice ale MRCS, cu rezistenta la rupere de 40 – 60 kgf/mm2. Instalatia pentru fabricarea corpurilor textolitice pe baza de tesatura de sticla (figura 1a) permite sa se execute infasurarea cu tesatura lianta imbibata in prealabil pe dorn dupa perimetru sau spirale;

Fig. 1. Schema masinii-unelte pentru infasurarea tesuta

a – asezarea in spirala; b – asezarea inelara; 1, 28 – carucioare; 2, 19, 30 – suluri de tesatura impregnata cu lianti; 3, 15, 22 – dornuri; 4, 16 – ax de strangere; 5 – tija cu role de strangere; 6 – cilindru de forta; 7,27 – bare de directionare; 8 – cadru; 9, 10, 23, 24 – cilindri de sprijin cu suprafetele incalzite; 11 – motoare de actionare; 12, 13, 20, 25 – tesatura; 14, 26 – mecanism de actionare elicoidal; 17, 21 – reductor; 29 axa mecanismului in forma de furca; 31 – role directoare; 32 – mecanism in forma de furca; 33 – ax de intoarcere a sulului 2.

– infasurarea periferica se executa concomitent cu primul si al doilea start, paralele cu benzile de la sulul (2) prin cilindrii (17 si 18). Cilindrii de sprijin (10, 23, 24) au montate pe ei dispozitive de incalzire in zona de contact cu tesatura confectionata din liant (fig. 1 b). Infasurarea spirala se executa prin depanarea tesaturii de pe suluri (2, 19, 30), dispuse sub un unghi fata de axa dornului (3). La atingerea tesaturii cu carucioarele (1, 28) pozitiei limita, se produce reasezarea tesaturii cu ajutorul mecanismului in forma de furca (32). Inmuierea si tavalugirea, cu scopul compactizarii straturilor de tesatura, se face la fel ca si in cazul infasurarii dupa perimetru.

– infasurarea longitudinal-transversala a corpurilor MRCS cilindrice si usor conice se executa plecandu-se de la raportul cunoscut dintre tensiunile in sectiunea limita si in sectiunea generatoarei, care este egal cu 1/2. Infasurarea starturilor pe dorn, in cazul infasurarii longitudinal – transversale, se face in urmatoarea succesiune: la doua straturi de benzi periferice se aplica un strat de benzi longitudinale (de-a lungul generatoarei). Corespondenta dintre orientarea si numarul benzilor de sticla cu directia si marimile care actioneaza in invelis, precum si asezarea compacta a benzilor de sticla, permite sa se realizeze o rezistenta la rupere superioara de 100 kgf/mm2 in directie tangentiala si peste 50 kgf/mm2 in directie axiala (figura 2). Infasurarea longitudinal-transversala se realizeaza astfel: suportul pivotant (2), pe circumferinta caruia sunt amplasate bobinele starturilor longitudinale (1), rotindu-se sincron cu dornul (3), se deplaseaza de-a lungul axei dornului.

Fig. 2. Schema masinii-unelte pentru infasurarea longitudinal-transversala

1 – bobine cu starturi longitudinale; 2 – suport pivotant; 3 – dorn; 4 carucior; 5 – surubul de miscare al caruciorului; 6 – ghidajul caruciorului; 7 – mecanismul transmisiei miscarii de rotatie a suportului pivotant; 8 – bobina de asezare transversala.

Totodata, benzile longitudinale desfasurate de pe bobina se infasoara si se trag spre suprafata dornului benzile in straturi inelare de pe bobinele (8) fixate pe caruciorul (4), asigurand raportul din starturile longitudinale si transversale de 1/2. Inmuierea (macerarea) liantului din benzi se realizeaza cu incalzitoare prin radiatie sau prin contact, dispuse pe elemente inelare care cuprind dornul in locul depanarii benzilor longitudinale inelare. Infasurarea corpurilor impreuna cu fundurile (capacele) prin procedeul infasurarii longitudinal-transversale complica substantial procesul tehnologic. De aceea, in mod obisnuit, astfel de corpuri se executa cu funduri (capace), insa cu ingrosari pe ambele parti frontale. Dupa obtinerea infasurarii, polimerizarii si scoaterii corpului de pe dorn, capetele ingrosate se supun prelucrarii mecanice in scopul pregatirii locurilor de imbinare cu capacele metalice. Infasurarea spirala permite sa se execute corpul MRCS impreuna cu fundurile (capacele). Aceasta este cel mai raspandit procedeu si cel mai eficace si permite sa se obtina corpuri de MRCS, invelisuri ale divergentelor ajutajelor si invelisuri cu capace de cele mai diferite forme (cilindrice, conice, sferice, toroidale). Orice abatere de orientare a benzilor fata de linia tensiunilor principale ale invelisului, duce la micsorarea rezistentei invelisurilor cu aproximativ 10-15%. Rezistenta la rupere a elementelor obtinute prin infasurarea longitudinal-transversala din materiale plastic armate cu fibre de sticla prin infasurare spirala, este de aproximativ 85kgf/mm2. Aceasta metoda de infasurare este concretizata in figura 3, unde este prezentat un corp MRCS.

Fig. 3. Schema invelisului tip cocon pentru MRCS

In figura 4 este prezentata schema masinii-unelte pentru infasurarea spirala prin metoda umeda. Firele de sticla sunt trecute prin vasul cu liant (8), prin sistemul de role (10) care regleaza tensiunea in banda de sticla si elimina surplusul de liant si intra pe dorn.

Fig. 4. Schema masinii-unelte pentru infasurarea spirala

1 – gura de alimentare; 2 – saiba; 3 – disc limitator; 4 – dorn; 5 – surub de miscare al caruciorului; 6 – carucior; 7 – tija cilindrului hidraulic; 8 – vas cu liant; 9 – cilindru hidraulic al mecanismului de comanda; 10 – rolele mecanismului de impregnare – intindere; 11 – banda din sticla.

Infasurarea spirala pe dorn se executa prin modificarea vitezei de rotatie a dornului (4) si prin deplasarea longitudinala a caruciorului (6). La atingerea capatului dornului, tija cilindrului hidraulic se retrage conform programului si aseaza banda pe suprafata dornului si se va forma peretele invelisului cu numarul urmarit de straturi din banda. La proiectare este necesar sa se cunoasca cateva particularitati constructiv-tehnologice de executare a corpurilor MRCS din material plastic armat cu fibre de sticla, care influenteaza substantial caracteristicile de rezistenta si fidelitate reproducerii corpului in procesul productiei de serie.

Continutul optim de liant in compozitia pentru infasurarea spirala si pentru infasurarea longitudinal-transversala trebuie sa fie in limitele 20-30%. Cand continutul de rasina este mai mare decat cantitatea optima, rezistenta scade, iar cand continutul este mai mic, se obtine o structura neomogena a corpului motorului. Caracteristica de baza a liantului este aceea, ca ele sa combine fibrele de sticla intr-o structura unitara, sa repartizeze uniform eforturile intre fibre si sa asigure intinderea uniforma a acestora pe timpul solicitarii de rupere (intindere). Liantul protejeaza fibrele de solicitarile mecanice exterioare si din acest motiv, modulul de elasticitate, rezistenta la rupere, plasticitatea si rezistenta fizico-chimica ale materialului compozit, depind in mare masura de continutul (compozitia) liantului.

Un factor principal pentru asigurarea proprietatilor amintite ale compozitiei, il reprezinta efortul la intindere a benzii armate sau filonului. Prin intinderea preliminara (initiala) a ingredientului armat, se creeaza starea initiala de formare in materialul compozit si se asigura deformarea startului fara ruperea acestuia la tractiune. Din acest motiv, intinderea preliminara se calculeaza si ea trebuie sa fie mai mica decat cea teoretica, avand drept rezultat o dispersie mai mare a proprietatilor mecanice. Intinderea mai mare decat cea teoretica mareste densitatea materialului prin micsorarea concomitenta a rezistentei lui si a continutului de lianti din compozitia acestuia.

Temperatura de solidificare influenteaza viteza de contractie a liantilor, iar timpul de solidificare se alege astfel incat sa se asigure tensiunea de contractie prevazuta si care poate fi diminuata prin tratamente termice repetate. Cu cat viteza de solidificare este mai mica, cu atat apar mai putine defecte in compozitia piesei.

Din rezultatele practice obtinute in constructia rachetelor cu combustibil solid, s-a tras concluzia ca in comparatie cu constructiile de rezistenta executate din metale de inalta rezistenta, materialele compozite cu matrice polimerica armate cu fibre de sticla prezinta urmatoarele avantaje: pret de cost mic, timp scurt de realizare, rezistenta specifica superioara, anizotropie reglabila a materialului.

2.2. Tehnologia de fabricatie prin presare a structurii de rezistenta a MRCS din materiale compozite cu matrice polimerica armata cu fibre de sticla

In cazul tehnologiilor de realizare a camerei si ajutajului prezentate anterior, costurile de productie sunt mari si acestea se pot realiza si din materiale compozite cu matrice polimerica armata cu fibre de sticla prin presare. In figura 5 este prezentata schema procesului tehnologic de realizare a corpului si ajutajului unui MRCS prin presare.

Obtinerea corpurilor MRCS si ajutajelor prin aceasta metoda de presare, prezinta avantaje in cadrul productiei de serie mare. Fabricarea corpurilor si ajutajelor MRCS prin presare necesita un volum de lucru considerabil mai mic in comparatie cu procesul de fabricatie obisnuit a corpurilor MRCS metalice. In acelasi timp, se micsoreaza substantial volumul operatiilor de pregatire, cele intermediare, precum si durata si etapele procesului de control.

Fig. 5. Schema procesului tehnologic de obtinere a camerei de ardere si a ajutajului prin presare

1 – sectiunea prin corpul cu ajutajul motorului; b – schema procesului tehnologic de presare; l – umplerea formei; ll – vidarea; lll – compactizarea; lV – elaborarea obiectului presat; V – presarea si polimerizarea: 1 – poanson; 2 – matrita; 3 – tija; 4 – placa de turnare; 5 – pompa de vid.

Cpt.lect.univ.drd.ing. Aurel Iacobescu

Col.drd.ing. Dumitru Homei

Anunțuri

Si parerea ta conteaza...curaj !

Completează mai jos detaliile tale sau dă clic pe un icon pentru a te autentifica:

Logo WordPress.com

Comentezi folosind contul tău WordPress.com. Dezautentificare / Schimbă )

Poză Twitter

Comentezi folosind contul tău Twitter. Dezautentificare / Schimbă )

Fotografie Facebook

Comentezi folosind contul tău Facebook. Dezautentificare / Schimbă )

Fotografie Google+

Comentezi folosind contul tău Google+. Dezautentificare / Schimbă )

Conectare la %s