CC BY
27
Mr l,ajoS Tot,
dip!. inž. Vojnotehnićki instiiul.
Beoitrad
METODA ODREĐIVANJA ČVRSTOĆE NA SMICANJE VEZEIZMEĐU DVOBAZNOG RAKETNOG GORIVA11NHIBITORA
UDC: 621.45.07-6:620.179.4
Rezimc:
U ovorn radu prikazana je metoda za odredivanje ćvrstoće na smicanje (adhezione čvr-stoće) spoja izmedu dvobaznog raketnog goriva (DRG) i mhibitora. na bcćno i ćeono inhibi-ranim pogonskim punjenjima. Odredena je čvrstoća na smicanje korišćcnjem metode priti-skivanja na viie boćno i Čeono inhibiranih pogonskih punjenja. Opisan je i uticaj sastava in-hibitora na karakter i jaćinu veze DRG-a i infiibiiora.
Kljućne reći: ćvrstoća na smicanje. inhibitor, dvobazno raketno goriva.
METHOD OF DETERMINATION OF THE SHEAR STRENGTH OF THE DOUBLE BASE ROCKET PROPELLANT-INHIBITOR BOND
Summary:
This study shows a method for determining the shear strength (adhesion strength) of the double base propellant-inhibitor bond on lateraly and frontly inhibited grains. Shear strength is determined on several lateraly and frontly inhibited grains The influence of inhibitor composition on the bond nature and strength is described.
Key words: shear strength, inhibitor, double base propellant.
Uvod
Pogonska punjenja raketnog moto-ra, punjenje generatora gasa, obično je inhibirano po nekim povrSinama. U od-redenim slučajcvima, npr.: neodgovara-jući sastav inhibitora, dugotrajno skla-dištenje, termička opterećenja i slično može doći do slabljenja ili narušavanja - odlepljenja veze goriva i inhibitora. To najvećim delom možc biti posledica razlika u temperatumim kocficijentima dilatacije izmedu goriva i inhibitora, zaostalih unutrašnjih napona kao rezul-
tat skupljanja inhibitora u toku oćvršća-vanja, nedovoljne termodinamičke pod-nošljivosti osnovnih komponenti u go-rivu i inhibitoru i drugo [I ].
Ukoliko spoj inhibitora i pogonskog punjenja nije odgovarajuće jačine. doći će do neželjenog povećanja povrSine sa-gorevanja, odnosno nekontrolisanog pri-rasta produkata sagorevanja. Usled рога-sta pritiska u komori može doći i do eks-plozijc ili progorevanja кошогс raketnog motora. Radi toga je važno poznavati ve-ličinu čvrstoće na smicanje (adhezionu čvrstoću) veze inhibitora i goriva.
VOJNOTKHNIĆKl GLASN1K 6Л001.
609
U dostupnoj litcraturi postoji ncko-liko metoda kojirna se može meriti jačina vcze izmedu goriva i inhibitora, kao 5to su: metoda za odredivanje adhczione čvr-stoće i encrgije aktivacijc procesa odle-pljivanja, metoda merenja unutraSnjih napona u inhibiranom barutnom zmu KONZOLNOM metodom [1], Peel test (metoda ljuStenja), ispitivanje otpomosti lepka na smicanje pri zatezanju (3], odredivanje smicajne čvrstoće [5] i dr.
Pomenutim metodama moguće jc odrediti čvrstoću veze goriva i inhibitora na poscbno pripremljenim uzorcima u la-boratorijskim uslovima.
Osnovna ideja autora je da sc defini-Se metoda za odredivanje jačine veze goriva i inhibitora na rcalnim pogonskim punjenjima uzetim iz tekuće proizvodnje ili iz skladišta.
Ovom metodom može se odredivati Čvrstoća na smicanje spoja DRG-a i inhibitora za svako slobodno pogonsko pu-njenje cilindričnog oblika, koje je inhibi-rano po spoljnim, unutraSnjim ili Čeonim površinama, a ne može se odredivati čvr-stoća na smicanje spoja DRG-a inhibitora u obliku kalota. Proizilazi da se ova metoda može koristiti kao standardna metoda za odredivanje jačine veze goriva i inhibitora.
Čvrstoća na smicanje, dobijena na ovaj način, služi za kontrolu kvaliteta spoja DRG inhibitor (DRG — I), lepljenog spoja DRG - DRG ili kompaktnosti i Čvr-stoće DRG. Ovom metodom može se is-pitivati uticaj starenja na čvrstoću veze spoja DRG - inhibitor [2], a pogodna jc za kontrolu kvaliteta u serijskoj proizvod-nji, kao i u fazama istraživanja i razvoja.
Eksperimentalni deo
Uredaj za ispitivanje otpomosti na
smicanje
Za odredivanje čvrstode na smicanje koristi se kidalica sa termokomorom koja ima odgovarajuću konstrukeiju, tako da se glava (gomja ili donja) može pomicati u vcrtikalnom pravcu konstantnom brzi-nom. Opseg opterećenja uredaja treba da bude takav da opterećenje pri smicanju bude u području od 15% do 85% najveće vrednosti na skali (3].
Alai za smicanje
Alat za smicanje [4] sastoji se od noža za smicanje, postolja noža za smi-canjc i učvrSćivača uzorka. Skica alata za smicanje i način postavljanja na kidalieu prikazani su na slici 1.
Nož za smicanje (slika 2) postavlja se u gomju glavu kidalice. Profil bočne na-
Sl. i - Alat :a smicanje i nalin postavljanja na kidalieu
610
VOJNOTEMNlCKI GLASNIK <V200)
SI. 2 - Noi za smicanje
padnc povrtine noža za smicanje (slike 2b i 2c) mora biti ravan (u slučaju ispitivanja ravnih površina Ćeonih inhibitora - slika 2b) ili sa odgovarajućim radijusom, R, (u slučaju ispitivanja zakrivljenih površina inhibitora slika 2c), a koji jejednak radiju-su veze inhibitora - DRG (slika 4).
Postolje noža za smicanje (slika 3), prićvršćujc se na donju glavu kidalice (sli-
Sl. 3 - Postolje noia za smicanje i način učvrićiva-nja uzorka
ka 1). Uzorak sc postavlja i učvršćuje na postolje noža za smicanje, tako da povrSi-na smicanja bude u osi kidalice. UCvrSdi-vanjem se sprečava proklizavanje uzorka u toku delovanja opterećenja, tj. omogu-ćava se održavanje saosnosti sistema.
UčvrSćivač uzorka može biti ravan (neperforiran sa učvršćivanjem u jednoj tački - slika l), ili perforiran (sa uCvrSći-vanjem u dve tačke - slika 3), što zavisi od oblika korišćenog uzorka.
Priprema uzoraka i epruveta
Uzorak za ispitivanje može biti po-gonsko punjenjc ili segment pogonskog punjenja, cilindričnog (pun ili šupalj) ili kvadratnog oblika, sa maksimalnom visi-nom DRG do 50 mm. Oblik uzorka mora biti takav da obezbedi dobro učvršćivanje za postolje noža za smicanje, radi spreča-vanja proklizavanja tokom opterećivanja. Mehaničkom obradom se, na datom uzor-ku, izraduju epruvete usecanjem do baruta (kvadratići inhibitora), nominalnih dimen-zija: Sirine a - 10 mm, visine b — 10 mm i
VOJNOTEHNIĆKJ GLASNIK 6^003
611
debljme c jednake debljini inhibitora. Medusobno rastojanje izmedu epruveta inhibitora (na uzorku) mora biti minimal-no 4 mm. Jedna od mogućih konfiguracija uzorka (pogonskog punjenja ili segmenta pogonskog punjenja), spolja bočno inhibi-ranog, sa epruvetama za smicanje prikaza-naje na slici 4.
SI. 4 - Izglcd uzorka (pogonskog punjenja ili segmenta pogonskog punjenja), spolja boino inhibira-nog, sa uradenim epruvetama za smicanje
Za odredivanje čvrstoće na smicanje strukture DRG koriste se uzorci sa epruvetama kao što je prikazano na slici 5.
Izrada epruveta na čeonom inhibito-ru obavlja se na uzorku koji je isečen mehaničkom obradom iz pogonskog punjenja na način prikazan na slici 6.
Postupak ispilivanja i obrada rezultata merenja
U ovom radu korišćena je brzina ho-da glave kidaiice od 10 mm/min. Uzorci su kondicionirani na 20°C i 50°C, u tra-janju od 2 sata pre ispitivanja.
Epruveta koja se smiče postavlja se tako da smicajna površina bude u osi kidaiice (slike 1 i 3). Na taj način se vrSi učvrSćivanje uzorka. U gomju glavu kidaiice postavi se nož čija bočna napadna
SI. 5 - Izgled uzorka DRG sa uradenim epruvetama za smicanje DRG и pravcu presovanja
ГёГеГёГЬ.
SI. 6 - Izgled uzorka sa epruvetama za smicanje teonih inhibitora
povrSina ima radijus jednak radijusu smi-cajne površine.
Izvrši se smicanje sve dok ne dode do odvajanja inhibitora od DRG, tj. dok ne dode do vraćanja sile na vrednost nu-la. Tokom izvršenog opita dobijaju se di-jagrami sila - deforrr.acija (vreme), obli-ka sličnog kao na slici 7.
Opit startuje u položaju A. Nož јоб ne dotiće gomju povrSinu epruvete, a izmedu A i В može se registrovati sila tre-nja alata. U nekim slučajevima ova sila trenja ne mora se pojaviti. U položaju В nož počinje da smiče epruvetu, a sila ra-ste sa vremenom. U položaju C epruveta je odvojena od uzorka. Maksimalna sila
612
VOJNOTEHNIĆKI GI.ASNIK 6/2003.
smicanja epruvete, Fb, jeste razlika izme-du C i nivoa sile trenja B. Ukoliko nema sile trenja onda je sila smicanja razlika nivoa sila C i A (slika 7).
SI. 7 - hgled dijagrama sila-deformacija (vreme)
Čvrstoća na smicanje izračunava se iz poznate sile smicanja, Fb, i povrSine epruvete koja se smiče. Čvrstoća na smicanje, T, je:
gdeje:
Fb - sila smicanja pri odvajanju epruvete od uzorka (daN);
a - Sirina epruvete koja se smiče (cm); b - visina epruvete koja se smiče (cm).
Rezultati eksperimentalnih ispitivanja
Obavljena su ispitivanja čvrstoće na smicanje DRG i veze DRG-a i inhibitora na bočno i Čeono inhibiranim pogonskim punjenjima. Sastavi inhibitorske mase,
kojima je vrSeno bočno inhibiranje, pri-kazani su u tabeli 1.
Tabela I
Sastavi ispitivanih inhibitora
Sastavi inhibitora
A 6
Komponen- ta Mas. udeo (%) Komponenta Mas. udeo(%)
Etilceiulozi 40,0 Polimetilmetakrilai 20.0
Punilac 41.0 Cr,0, 0.9
Cn,203 1.0 Bbs! 3,5
B. kis 3.0 GNC 5.5
GNC 7.0 Punilac 31.0
Plastif. - 1 8.0 Plastif.-2 14.0
Mct^mctakrilat 25.0
Katalizator 0.1
Na 100 mas. delovs
inhibitora A dodaje s<
30/100 delova smeSe
etilacetat : etilalkoho!
12125)
Ispitivanje čvrstoće na smicanje DRG i veze DRG-a u inhibitora radeno je na tri boćno inhibirana pogonska pu-njenja. Pogonsko punjenje AA (probe E-39 i E-61) je iz faze razvoja starosti 10, odnosno 2 meseca. Pogonska punjenja BĐ i CC su iz serija koja su pre ispitivanja bila 18, odnosno 14 godina uskladi-Stena u magacinima. Pogonska punjenja AA inhibirana su inhibitorom sastava A (tabela 1), a pogonska punjenja ĐB i CC inhibitorom sastava Đ (tabela 1). Sva tri pogonska punjenja su spoljnog prečnika око 120 mm, a pogonsko punjenje BB je sa unutrašnjom zvezdom [4]. Uzorci sa epruvetama izrađeni su na način prikazan na slikama 4 i S.
Srednje vrednosti rezultata ispitivanja, na datim temperaturama, sa odgova-rajućim standardnim devijacijama i koe-ficijentima varijacije prikazane su u tabe-lama 2 i 3.
Kod ispitivanja veze DRG-I pogon-skih punjenja ĐĐ i CC došlo je do odle-pljenja pri smicanju po spoju DRG - in-
V0JN0TEHNICK1GLASNIK 6/2003.
613
Tabela 2
Remltaa ispitivanja čvrstoće na smicanje veze između DRG-a i inhibitora (DRG -1) i črrstoće DRG. na 20°C
Karakteristike merenih veličma Oznaka uzorka
E-39/01 E-61/01 CC BB
DRG-I DRG DRG-/ DRG DRG-/ DRG DRG-I DRG
Sred. vred. (MPa) 6.38 5.62 5.59 5.91 i.to 4.53 3.13 5.13
Stand, dev. (MPa) 0T4i 0.28 0.62 0.28 0.19 0,23 6.iS 0.18
Koef. varii. (%) 7,52 4.98 11.09 4.74 6.35 о «0 7.35 3.51
Br. isoiiivania 25 13 is 14 13 8 id 7
Tabela 3
Rezultati ispitivanja ćvrstoće na smicanje veze izmedu DRG -li DRG, na 50°C
Karakteristike merenih veliCina Oznaka uzorka
E-39 /01 E-61/01 CC BB
DRG-I DRG DKG-I DRG DRG-I DRG DRG-I DRG
Sred. vred. (MPa) 2.22 1.75 1.70 1,97 1.18 1.65 1.11 “1.97
Stand, dev. (MPa) 0.11 0.09 0.19 o.ii 6.15 0,15 0.10 0.09
Koef. varii. (%) 4.95 5.14 11.18 6.09 12.71 9.0S i 9.01 4.57
Br. isoiiivania 24 14 ii 13 12 9 I 12 6
hibitor, tj. površina odlepljenja je ravna -glatka (s)ika 8a). Kod ostalih uzoraka do Slo je do smicanja u masi DRG, tj. povr-Sina smicanja nije ravna već razudena -hrapava, slika 8b.
Ispitivanje čvrstoće na smicanje DRG i veze DRG - inhibitor radeno je na dva Čeono inhibirana pogonska punjenja. Pogonska punjenja DD i ЕЕ su iz serija koja su рге ispitivanja bila 16, odnosno 6 godina uskladištena u magacinima. Oba pogonska punjenja su Čeono inhibirana in-hibitorom od etilceluloze (ЕС) [4]. Uzorci sa epruvetama prikazani su na slid 6.
SI. S - Prikaz karaktera odlepljenja-smicanja које se opaia na koniaktnim povriinama veze DRG-a i inhibitora
Srednje vrednosti rezultata ispitivanja, na datim temperaturama, sa odgova-rajućim standardnim devijacijama i koe-ficijentima varijacije, prikazane su u ta-belama 4 i 5.
Tabela 4
Rezultati ispitivanja čvrs'.oće na smicanje veze DRG-liDRG.na 20°C
Karakteristike merenih velilina Oznaka uzorka
EE DD
DRG-I DRG DRG-I DRG
Sred. vred., MPa 6,25 5,87 7.14 5.26
Stand, dev., MPa 0.27 0,21 0.67 0.23
Koef. varij., % 4.32 3,58 9,38 4,37
Br. ispitivanja 5 6 10 18
Tabela S
Rezultati ispitivanja čvrstoće na smicanje veze DRG-liDRG.na S0°C
Karakteristike merenih velittna Oznaka uzorka
EE
DRG-I DRG
Sred. vred., MPa 2,28 2,23
Stand, dev., MPa 0,02 0,10
Koef. varij., % 0,88 4,48
Br. ispitivanja 5 5
614
VOJNOTF.HNIČKI GLASNIK 6/2003.
Kod oba ispitivana uzorka došlo je do smicanja u stnikturi DRG, tj. povrSina smicanja nije ravna već razuđena - hra-pava (slika 8b).
Analiza rezultata
eksperimentalnih ispitivanja
Analiza rezultata ispitivanja čvrsto-će na smicanje veze izmedu DRG inhibi-tora, na spolja - bočno inhibiranim real-nim pogonskim punjenjima, na 20°C i 50°C (tabele 2 i 3), pokazuje da najveću čvrstoću na smicanje ima uzorak E-39/01. Najmanje vrednosti ćvrstoće na smicanje veze DRG-a i inhibitora ustanovljene su kod pogonskih punjenja CC i ĐB, i one su približno dvostruko manje nego kod uzorka E-39/01.
Analiza rezultata ispitivanja čvrsto-će na smicanje DRG, na 20°C i 50°C, ta-bela 2 i tabela 3, pokazuje da su srednje vrednosti čvrstoće na smicanje kod ispiti-vanih uzoraka medusobno vrlo slične, osim kod punjenja CC gde je ova vred-nost manja.
Kod uzorka E-39/01, na obe ispitivane temperature, ustanovljeno je da je vrednost čvrstoćc na smicanje veze izmedu DRG-a i inhibitora veća od odgovara-juće vrednosti čvrstoće na smicanje DRG.
Mote se pretpostaviti da na kontakt-noj povrSini veze izmedu DRG-a i inhibitora kod pogonskog punjenja AA (probe E-39 i E-61) nastaje čvrsti rastvor kao rezultat rastvaranja nitroceluloze (NC) iz DRG i etilceluloze iz inhibitora u etilace-tatu (tabela 1, sastav inhibitora A). Na-коп isparavanja etilacetata ova smesa je odgovoma za dobijenu adhezionu čvrsto-ću između DRG i inhibitora. Zbog toga i
dolazi do kidanja kao Sto je prikazano na slid 8b, tj. došlo je do smicanja u masi DRG. Slično se može zaključiti i kod ispitivanja otpomosti na smicanje veze izmedu DRG-a i inhibitora, na čeono inhibiranim pogonskim punjenjima, sa inhi-bitorom od etilceluloze. Ovde isparljive komponente lepka rastvaraju, odnosno razmckšavaju kontakte površine DRG tj. NC i etilceluloze, stvarajući čvrsti rastvor NC i EC. Nakon isparavanja kompo-nenti lepka nastala smesa je odgovoma za dobijenu adhezionu čvrstoću izmedu DRG i inhibitora. Zbog toga se deSava tip kidanja prikazan na slici 8b.
Razlog Sto je čvrstoća na smicanje veze izmedu DRG-a i inhibitora kod punjenja CC i ĐB znatno manja nego kod AA može biti razlika u sastavima inhibitora (tabela 1), dugotrajno skladištenje i/ili da je početna adheziona čvrstoća bila manja u momentu izrade. Da bi se znalo Sta je u pitanju trebalo bi poznavati po-četno stanje. Može se pretpostaviti da ovde nije došlo do značajnijeg rastvaranja NC i DRG od metilmetakrilata, pa ni do stvaranja čvrstog rastvora izmedu NC i PMMA (tabela 1), sastav inhibitora B, već da je adheziona čvrstoća rezultat pre-težno ,,uklinjavanja“ inhibitorske mase u pore DRG.
Analiza rezultata ispitivanja čvrsto-će na smicanje veze izmedu DRG-a i inhibitora, na čeono inhibiranim realnim pogonskim punjenjima. na 20°C (tabele 4 i 5), pokazuje da najveću čvrstoću na smicanje ima uzorak DD.
Analiza rezultata ispitivanja ćvrsto-će na smicanje DRG, na 20°C i 50°C (tabele 4 i 5), pokazuje da su srednje vrednosti čvrstoće na smicanje kod ispitiva-
VOJNOTEHNlCKI GLASNIK W003.
615
nih uzoraka medusobno vrlo slične, kao i da su sličnc vrednostima prikazanim u tabelama 2 i 3.
Kod oba ispitivana uzorka, na obe ispitivane temperature» ustanovljeno je da je vrednost čvrstoće na smicanje veze između DRG-a i inhibitora veća od od-govarajuće vrednosti čvrstoće na smicanje DRG.
ZakJjučak
Metodom opisanom u ovom radu odredivana je Čvrstoća na smicanje veze izmedu DRG-a i inhibitora i kompaktno-sti DRG. Čvrstoća na smicanje ove veze ispitivana je na inhibitorima na bazi poli-metilmetakrilata i na etilceluloznim inhi-bitorima. Dobijene vrednosti slične su vrednostima prikazanim u literatun» [1], iako je primenjena potpuno drugačija metoda, tj. u [1] je određivanje jačine veze izmedu DRG-a i inhibitora vrSeno na prethodno pripremljenim cpruvetama, a
ne na epruvetama realnih pogonskih pu-njenja.
Ovom metodom moguće je na real-nim pogonskim punjenjima odrediti čvr-stoću na smicanje veze DRG-a i inhibitora, kao i praćenjc promene čvrstoće na smicanje te veze, tokom vremena prove-denog u skladiStu. Кгко se, u isto vreme, može pratiti i promena čvrstoće na smicanje unutar strukture DRG, moglo bi se ustanoviti i kolika je brzina smanjenja čvrstoće na smicanje ispitivane veze izmedu DRG-a i inhibitora i unutar strukture DRG.
Littratura:
|11 čolaković, M.; Karakter t dugovećnost kontakta izmedu tn* hibhora na bazi poIimctilrnctaknUu i tvntog pogorakog goriva, doktorska disertacijj. Zagreb. 1978.
(2) Schwartz, A.: Aging effects on adhesion of inhibitor to propellant grains. National Defence Research Institute, Turn* ba, Sweden, 1976.
[3|5N0 1094: ispitivanje otpomosti lepka na smicanje pri a-tezanju. 1987.
(4) Tot, L: Tchnitki izveStaj, П-004-01-0286. VojnoteJmidki institut KoV VJ. Beograd, 2002.
J5| JUS N.K8.024: Odredivanjesmtcajne Cvrstoćc. 1979.
616
VOJNOTEHNIĆKl GLASN1K 6ЯООЗ.
