پدیده کوهانی شدن بر موثرپارامترهاي مروري بر هاي جامد مرکبشرانهیدر پ 4، علی بلوکیان3، فرهاد سیف2، حسن اسالمی*1سعید یاري

کارشناسی ارشد، سازمان صنایع هوافضاEmail: info@iran/fast.com

)11/8/96، تاریخ پذیرش: 1/5/96(تاریخ وصول:

ایـن دو میـان یـا انحـراف عدم انطباقشود که یک مشخص می سوخت جامد مرکب، بینی شده موتور رهاي عملکرد تجربی و پیشبا مقایسه میان نمودانوسـان ناشی از که "کوهانی شدن"شود که در واقع به اثر تغییرات فضایی سرعت سوزش درون موتور نسبت داده می نمودار وجود دارد. این انحراف به

پیشـرانه ، نحوه فرایند ریخته گـري سرعت سوزش فضایی از مهمترین دالیل وجود این تغییرات باشد، ارتباط دارد. یمپایین) -باال-سرعت سوزش (پایینبایست شامل تعیین سرعت سوزش یمگري بر روي تغییرات سرعت سوزش، مدل بالستیکی جهت اثبات اثرات جریان پیشرانه در هنگام ریخته باشد.می

بـر یه. فرض اول تکبیان شده استانحراف سرعت سوزش يبرا یناندو فرض قابل اطم در این مقاله باشد.ي شده بر مبناي آنالیز جریان گر نمونه ریختهگیـري و نحوه فرآینـد ریختـه اصل استوار است که ینبر ا یگردارد. فرض د یسرعت سوزش خط یبزرگ ي) بر روAP( یدکنندهذرات اکس یريگ اثر جهت

، متفاوت در نقاط مختلف گرین ها یشرانهپ سوزش موضعیرفتار باشد وثر میؤبر روي انحرافات سرعت سوزش م پیشرانهحاصل از دوغاب خطوط جریاناي از فرآینـد رئولـوژي جریـان دوغـاب یجـه نت به عنوانکه شود میاثر کوهانی شدن به تغییرات فضایی در سرعت سوزش نسبت داده در واقع باشد. یم

.باشدگري مطرح می در هنگام ریخته پیشرانه .گري، فرآیند ریختهAPگیري ذرات پدیده کوهانی شدن، پیشرانه جامد مرکب، جهتهاي کلیدي: واژه

Review on the Effective Parameters on the Hump

Effect in Composite Solid Propellants S.Yari*, H.Eslami, F.Seif, A.Bolukian

Aerospace Development Organization (Received:7/23/2017, Accepted: 10/3/2017)

Abstract

By comparing the empirical and predicted performance diagrams of the composite solid propellants, it appears that there is a discrepancy between these two graphs.This deviation has been attributed to spatial burning rate variation which is related to burning rate fluctuation or hump effect. The most important reasons for this spatial burning rate variation are casting process.In order to approve the effects of propellant flow during casting, on burning rate, the ballistic model include measuring burning rate of casted sample based on flow analysis may be used. In this paper,Thereare two assumptions which affect the burning rate deviation, the first one is based on the influence of oxidizer orientation on linear burning rate and the second one is based on the effect of casting method and slurry flow line on burning rate deviation and local burning behavior of propellant in grain. Hump effect is related to the spatial variation in burning rate which is result of rheology process of propellant slurry. Keywords: HumpEffect, Composite Solid Propellant, AP Orientation, Casting Process.

1395پاییز و زمستان -28شماره پیاپی -2شماره -دهمدوازسال

چکیده

1395پاییز و زمستان -28شماره پیاپی -2شماره -دوازدهمسال -تحقیق و توسعه مواد پرانرژي

76

مقدمه -1هاي جامد مرکب نیاز بـه بینی عملکرد موتور پیشرانه ارزیابی و یا پیش

. ارزیـابی و ]2و1[سب موتور دارددانش دقیق و صحیحی از طراحی منابینـی زمان پیش-زمان و تراست-تجزیه و تحلیل انحرافات نمودار فشار

ین راهکارهـا جهـت بهبـود تـر مهـم یکی از ها آنشده با مقادیر واقعی جامـد هـاي . پیشـرانه ]3-5[باشد یمهاي جامد یشرانهپعملکرد موتور

سـبب عمومـاً مرکب جدید همراه با بار جامد باال و ویسکوزیته پـایین انحرافات میانـه "ایجاد این انحرافات بالستیکی هستند که تحت عنوان

پدیده کوهانی به عنوانوب که -. انحرافات میانهشود یمشناخته "1وب، شــود مــینیــز شــناخته یــا فــاکتور انحــراف ســرعت ســوزش2شــدنآورده اسـت. بـه وجـود هـا راکـت هاي قابل توجهی را براي یتمحدود

برخی پژوهشگران این انحراف را مربوط بـه فرآینـد پـر کـردن موتـور ته و کـاهش ویسـکوزی ًبـه علـت احتمـاال انـد کـه ایـن فرضـیه دانسته

اثـر کوهـانی شـدن .]6[حاصل شده اسـت بارگذاري باالي اجزاء جامدیعاً بـه سـر میالدي مورد ارزیـابی قـرار گرفـت و 80اولین بار در دهه

اي از فرآینــد یجـه نت بـه عنــوان تغییـرات فضــایی در سـرعت ســوزش از .]7-9[گري نسبت داده شد در هنگام ریخته پیشرانهرئولوژي جریان

شود که هـدف نشـان مفهوم پدیده کوهانی شدن هنگامی استفاده می-در گرینناشی از فشار محفظه احتراق هاي مکانیکی دادن اثرات تنش

، که در باشددر حین عملکرد موتور می باشدهاي پیشرانه جامد مرکب % 8بـه احتمـاالً باال در هنگام احتـراق (کـه واقع اشاره به فشار خیلی

رسـد) دارد. معمـوالً ایـن فشـار در حـین ریزي شده مـی مقادیر برنامهاي در طـول وب و دچار تغییرات لحظـه باشد فرآیند سوزش ثابت نمی

سـوز ماننـد هاي درون. این پدیده در بیشتر پیکربنديشودسوخت می .]10[افتدق میاتفا ايو استوانه ايهاي ستارهگرین

ه اسـت کـه ایـن در مطالعاتی که تاکنون صورت گرفته مشـخص شـد تغییـرات فضـایی در سـرعت به علـت زمان -انحرافات در نمودار فشار

ي فرآیندي، ها مشخصهسوزش پایه (که وابسته به فرموالسیون پیشرانه و منظور از .]11و6[باشد یمگري و فرآیند حاکم بر آن است)، نحوه ریخته

وابستگی این پارامتر به جهت گیري ،تغییرات فضایی در سرعت سوزش، میکرو ساختار APفضایی ذرات موجود در ترکیب سوخت بویژه ذرات

اي جبهه سوزش با خطوط جریان دوغاب پیشرانه و زاویه لحظه پیشرانه دهند که براي تشریح پدیده کوهانی شـدن گزارشات نشان میباشد.می

دو فرضیه وجـود دارد: یکـی اثـر فراینـد اي جامد مرکبهدر پیشرانهباشد و گري و خطوط جریان ناشی از حرکت دوغاب پیشرانه میریخته

یندر ا ].6-12در پیشرانه دارد[APگیري ذرات دیگري اشاره به جهت یکوهـان یـده پد یجـاد ا يعوامل مختلف بر رو یرشده تا تأث یسع مقاله

که در ادامه یرد،قرار گ یابیجامد مرکب مورد ارز هاي هیشرانشدن در پ قرار گرفته است. یمورد بحث و بررس

1- Mid-web anomaly 2- Hump Effect

پدیده کوهانی شدن -2که یک نمودار مرسـوم بـراي سـوزش )1(شکل وب در -انحراف میانه

باشد، نشان داده شده است. این انحراف همیشه فشاري کمتر یمموتور انتهایی سوزش و -بخش ابتدایی بینی شده براي نسبت به مقادیر پیش

ــاالتر نســبت بــه بخــش میانــه وب در حــین ســوزش نشــان -فشــار ب. بنابراین، این روند یک تغییر سرعت سوزش پیوسته ]12-14[دهد یم

. این تغییر سوزش به یک ]15[دهد یمبراي کل زمان سوزش پیشنهاد اره تغییر ترکیب در فرموالسیون پیشرانه در امتداد کل وب موتـور اشـ

. به احتمال زیاد، تغییر در میزان اکسیدکننده یا اندازه ذرات ]16[دارداین اتفاق احتماالً در هنگـام باشد که یمعلت تغییر در سرعت سوزش

-گـري در اطـراف منـدرل اتفـاق مـی در حین ریختـه پیشرانهجریان .]6[افتد

هـاي بـا داده بـراي یـک موتـور واقعـی زمان-فشار مقایسه نمودار -1شکل

.]16[تخمینی (پدیده کوهانی)

بینی رفتـار بالسـتیکی ي براي بهبود پیشا گستردهي ها تالشتاکنون، هـاي زمینهعمده ) انجام شده است. یکی از SRM( 3هاي جامد یشرانهپ

مطالعه در مورد ضریب اهمیت فرآیند تولید بـر روي رفتـار ،تحقیقاتیی مشخص شده است که رفتار به خوبباشد چرا که می SRMبالستیکی

و از باشـد گري آن وابسته می انه جامد به فرآیند ریختهبالستیکی پیشرآن بعنوان مهمترین پارامتر اثرگذار بر پدیده کوهانی شـدن یـاد شـده

.]6[استتغییرات سرعت سوزش در گرین پیشـرانه پخـت شـده نشـان دهنـده

باشد که به موجب یمعملکرد موتور بینی وجود پیچیدگی در کار پیشایجـاد یـک انحـراف در این پیچیدگی نتایج تکرار پذیر نبوده و امکـان

وجود دارد. سـرعت تولیـد از سطح گرین حسب فاصلهسطح سوزش برهـاي بینـی راي مقـداري انحـراف از پـیش زمان دا-جرم و نمودار فشار

اي باشند زیرا سرعت و سطح سوزش داراي نوسانات عمده یمکالسیک هـا ارتبـاط مانده بوده که این انحرافات را به پدیده کوهانی شدن و باقی

بینـی کـه موجـب کلی، کلیه خطاهاي قابـل پـیش بطور. شودمی داده

3- Solid Rocket Motors

جامد مرکب هاي یشرانهشدن در پ یکوهان یدهموثر بر پد يبر پارامترها يمرور

77

، به فاکتورهایی جهت شود می ي عملکردي پیشرانهانحراف در نمودارها. این فاکتورها نسبت مقـدار اند خوردهتصحیح کردن این انحرافات گره

باشند که جهـت یم، n-1بینی شده، با توان واقعی فشار به مقدار پیشبایست سطح مؤثر یا سرعت سـوزش مـؤثر در زمـان یـا یمبررسی آن

بـه زش فاصله سوزش بررسی گردد. این فاکتور سطح مؤثر/سرعت سـو ، باید در اینعالوه بر .]16[گردد یمفاکتور کوهانی شدن معرفی عنوان

هاي جامـد در حـین عملکـرد داراي نظر داشت که بیشتر موتور راکتها بعنوان نوسانات تراست پدیـدار هایی هستند. این ناپایداريناپایداري

. در ]18و 17[گردند کـه در برگیرنـده ارتعاشـات مضـري هسـتند میـ زرگ سالهاي اخیر مطالعات وسـیعی بـر روي ناپایـداري موتورهـاي ب

ها با هندسه داخلـی صورت گرفته است. بررسی اینکه چگونه ناپایداريکند، امـري متفـاوت موتور بویژه در حضور حفره داخل گرین تغییر می

بایست بطور مجزا مورد بررسـی که می باشداز پدیده کوهانی شدن می) عوامل مختلف موثر بر پدیـده کوهـانی 1جدول ( ].19-21قرار گیرد[ دهد.آنچه که در این مقاله بررسی شده را نشان می شدن و هر

.عوامل موثر بر پدیده کوهانی شدن و روش مطالعه آنها -1جدول روش مطالعه عوامل موثر بر پدیده کوهانی شدن

ظه لحییر

تغت

سرعی ضای

ي/فا

از:شی

ه ناش ک

سوز

گري) فرایند ریخته1اع بررســی تجربــی یــا تئــوري انــو

مختلف فرایند ریخته گري و نحوه مندرل گذاري

) جهت گیري ذرات 2AP

APبررسی مدل شبه کروي ذرات اي یا خطوط جریانو مدل الیه

ــاختار 3 ــرو سـ ) میکـ پیشرانه

APبررسی مدل شبه کروي ذرات اي یا خطوط جریانو مدل الیه

گري بر روي پدیده کوهانی شدناثر فرآیند ریخته -3گـري پیشـرانه وجه بـه آنچـه در قبـل اشـاره شـد، فراینـد ریختـه با ت

مهمترین سهم از اثرگذاري بر روي پدیده کوهانی شدن از خود نشـان % HTPB)68ک گرین بر پایـه یبخش، در این دهد. به همین دلیل می

مـورد بررسـی ينمونـه بـه عنـوان % آلومینیـوم) 17آمونیوم پرکلرات، گري بدین صـورت اسـت کـه در ابتـدا تهانتخاب شده است. نحوه ریخ

آن تزریـق اطـراف بـه پیشـرانه دوغـاب فیکس شده و سـپس مندرل .]22[نمایش داده شده است )2(شکل در روش که این شود می

زمان براي این پیشرانه را در دو حالت تئوري و -نمودار فشار )3(شکل موجـب دهد. همانگونه که مشخص است فرآیند تولید واقعی نشان می

کـه همـان پدیـده شـود مـی زمـان -بروز اختالل در روند نمودار فشارباشد. باید توجـه داشـت کـه شـکل و دامنـه پدیـده یمکوهانی شدن

.]22[کوهانی شدن بستگی به نوع هندسه مورد بررسی داردتصویرسازي جریان پیشرانه در هنگام تزریق پیشرانه بـه درون پوسـته

ي به فردهاي منحصر یانجرهیچ اختالطی بین عمالًدهد که یمنشان

دهد، که این پدیده در شکل ینمیابند رخ یمکه از نقاط مختلف ریزش هایی با ویسکوزیته یشرانهپ) ترسیم شده است. البته این پدیده براي 4(

باشد. همچنین مشاهده یممشهودتري قابل رویت و بررسی به طورباال به نمایش در آمده است. )5(ماکروسکوپیک از یک قطاع گرین در شکل

Aنسبت به ناحیه Bدهد که میکروسختی در ناحیه یمها نشان یبررس .]22[باشد یم(نزدیک پوسته) باالتر C(نزدیک حفره) و ناحیه

.]22[دستورالعمل فرآیند تولید -2 شکل

.]22[زمان گرین-نمودار فشار -3 شکل

)5(شـکل کـه در Cو A ،Bنتایج سرعت سـوزش شـعاعی در ناحیـه پدیـده کوهـانی شـدن ج نشان داده شده است نیز تأییـد کننـده نتـای

باشد: یمBurning rate (B zone)> Burning rate (C zone)> Burning rate (A

zone) باید این مطلب را مد نظر قرار داد که سرعت سـوزش پیشـرانه جامـد

و توزیع میان ذرات نرم و درشت آن وابسته اسـت. APیزان مرکب به مموجـب بهبـود تجزیـه و هاي فروسنیکهمچنین استفاده از کاتالیست

. اما در این میان اتفاق جالب این اسـت کـه شود میAPواکنش پذیري فرآیند تولید سبب ایجاد جـدایی چندگانـه مـواد در سـاختار پیشـرانه

.]22[شود می

1395پاییز و زمستان -28شماره پیاپی -2شماره -دوازدهمسال -تحقیق و توسعه مواد پرانرژي

78

.]22[تصویر جریان پیشرانه -4 شکل

ــرش -5 شــکل بررســی ماکروســکوپیک ب .]22[گرین

یـک گـروه از سـیاالت به عنوان پیشرانهفرض بر این است که دوغاب بعبارت دیگر رفتار آن مشخصه یابی شود. "زمان"باشد که باید در یم

سـیال در هـر زمـان داراي یـک مقـدار مشخصـه تابعیت زمان دارد وبنابراین، براي ارزیابی این اثر در زمان، نیاز به مشـاهده دقیـق باشد. یم

(خطـوط جریـان) تراز جهت تصویرسازي از سطوح هم.باشداین اثر مییله مقدار کمی پودر اکسید آهن و کربن وس به پیشرانهدر گرین موتور،

مایـل بـه پیشـرانه ) 2خاکستري اصلی، پیشرانه) 1سیاه در سه رنگ: هـا در ایـن ینگرانـد. ي تیره رنگ آمیـزي شـده ا قهوه پیشرانه) 3قرمز

-ریختـه )6(شکل ارائه شده در گري یند ریختهبخش با استفاده از فرآ .]23[گري شدند

) نشـان داده شـده اسـت. مـرز میـان 7سطح خارجی گرین در شکل () به وضوح قابـل رویـت رنگ همتراز ( هاي رنگی در سطوح همسگمنت

ي متفاوت در این شـکل نشـان دهنـده ها رنگباشد. مرزهاي میان یمباشد. همچنین نماي جانبی براي چهار زاویه یمتراز سطوح متقارن هم

شکل در 180و 0) و نماي داخلی در زاویه زاویه 270و 180، 90، 0( .]23[ارائه شده است )8(

نشان داده شـده اسـت. نتـایج )9(شکل همچنین سطح مقطع وب دردهند که سرعت سوزش محوري به زاویه محلی میـان جهـت یمنشان

تراز بدست آمده با محاسبات عددي جریان پیشرانه سوزش و سطح هم .]23[وابسته است

.]23[پیشرانهگري نحوه ریخته -6شکل

رنگ با شماي بیرونی گرین -7 شکل

.]23[آمیزي متفاوت از خطوط جریان

.]23[رنگی از جهات مختلف نماي بیرونی و نماي داخلی گرین -8 شکل

در بررسی دیگر چندین گرین بـا فرموالسـیون یکسـان انتخـاب شـده اند کـه گري متفاوت تولید شده است که با استفاده از سه فرآیند ریخته

عبارتند از: چرخشی در اطراف مندرل؛ به صورتگري : ریختهAفرآیند گري چرخشی و سپس فرو کردن مندرل در پیشرانه؛ : ریختهBفرآیند گري از سه نقطه مختلف در اطراف مندرل. ه: ریختCفرآیند

جامد مرکب هاي یشرانهشدن در پ یکوهان یدهموثر بر پد يبر پارامترها يمرور

79

بـراي 1گیري استرند برنر و التراسونیک در این بررسی از دو روش اندازهتعیین سرعت سوزش استفاده شـده اسـت. ویژگـی روش التراسـونیک

گیري سرعت سوزش آنی (موضـعی) نسبت به روش استرند برنر، اندازهباشـد یمـ ن) پیشـرانه پیشرانه در مقابل سرعت سوزش کلـی (میـانگی

هـاي بایسـت در پیشـرانه دهد که مـی یم. تحقیقات نشان ]24 و25[قائـل شـد. تمـایز 3و طـولی 2سوزش شـعاعی جامد مرکب بین سرعت

سوزش شعاعی در امتداد وب بوده و سـوزش طـولی مـوازي بـا حفـره التراسونیک، توانـایی روشگیرد. با استفاده از یممرکزي گرین صورت

در امتداد وب وجود دارد کـه ایـن گیري پروفایل سرعت سوزش اندازهگري شده اسـت، ارزیابی در امتداد گرینی که به روش چرخشی ریخته

هاي استحصال شـده گیري بر روي نمونهصورت گرفته است. این اندازه .]11[باشددر راستاي طولی و شعاعی امکانپذیر می )10(شکل از

.]23[رنگی سطح مقطع گرین -9 شکل

هـاي بـرش داده پیشـرانه شـمایی از -10شکل

.]11[گرین شده در جهت شعاعی و طولی

، تنها پروفایل سرعت سوزش Cگري شده به روش براي پیشرانه ریختهبه )11(شکل گري آن در گیري شده که چگونگی ریخته شعاعی اندازه

.]11[نمایش در آمده است

1- Strand Burner and Ultrasonic 2- Radial 3- Longitudinal

.]C]14]]به روش گري شمایی از مقطع ریخته -11شکل

ايمدل الیه -3-1هـاي غنـی از یـه السازي رفتار سرعت سوزش، فـرض تشـکیل براي شبیه

بایندر ارائه گردیده اسـت. ایـن پـارامتر هندسـی (الیـه غنـی از باینـدر) از د. نتـایج شـو یمـ حاصـل 4NMRگري و تصـاویر سازي فرآیند ریخته شبیه

ه ارائـه گردیـد )13 و12شـکل هـاي ( در Bو Aبدست آمده براي فرآینـد خطـوط و چیـنش نحوه قرارگیـري ،در این دو شکل، موقیعت .]14[است

گـري در پوسـته موتـور نشـان داده در حین ریخته جریان دوغاب پیشرانهشـکل گیـري جریـان شـبیه سـازي ) شـمایی از 12در شکل ( شده است.

. دهـد را نشان میدر اطراف مندرل اي بر مبناي جریان الیهدوغاب پیشرانه تصـویر بـرداري NMRتولیدي با استفاده از تست در این شکل از پیشرانه

نشـان داده شـده، )12(شده است. نتایج این تصویر همانطور که در شـکل اي جریان دوغاب پیشرانه است.اثبات کننده فرض خطوط الیه

گـري جریان (ریختـه خطوط گیري شمایی از شکل -12شکل

.]14[چرخشی با مندرل)

جریـان خطـوط گیـري شمایی از شکل -13شکل .]14[گري چرخشی بدون مندرل) (ریخته

4- Nuclear Magnetic Resonance

1395پاییز و زمستان -28شماره پیاپی -2شماره -دوازدهمسال -تحقیق و توسعه مواد پرانرژي

80

در این بررسی نتایج به دو صورت بیان شده است. اولین پاسخ، مربـوط به رفتار کلی موتور که بیان کننده اثر کوهانی شدن و سرعت سـوزش

و شود میحاصل (استرند برنر) میانگین است که از نتایج تست سوزشهـاي گیري سوزش است که از اندازه موضعیپاسخ دوم مربوط به رفتار

نشـان دهنـده فشـار )14(شکل . آید یمبدست )سونیکالتراموضعی (باشـد. ایـن یمـ بدست آمده در حین تست سوزش بـراي هـر فرآینـد

هایی که بـا متـدهاي مختلـف ینگردهند که رفتار یمنمودارها نشان .]14[باشد یم، متفاوت از هم اند شدهگري ریخته

.]14[نتایج تست سوزش -14شکل

هاي مختلف را یشرانهپمقادیر متوسط سرعت سوزش براي )2(جدول دهد. به وضوح مشخص است که گرینـی کـه بـدون منـدرل یمنشان یباً داراي سرعت سوزشی است که در حـدود تقرگري شده است ریخته

.]14[هاست% کمتر از سایر پیشرانه3

.]14[مقادیر متوسط سرعت سوزش براي سه نوع پیشرانه -2جدول Aفرآیند Bفرآیند Cفرآیند

mm/s( 48/7 28/7 55/7متوسط سرعت سوزش (

Bو Aنشــان دهنــده اثــر کوهــانی شــدن بــراي فرآینــد )15(شــکل باشد. آنچه که در این میان قابل توجه است تفاوت میان این پدیده یم

نشـان دهنـده )16(شـکل باشـد. همچنـین یمـ براي این دو پیشرانه زش شــعاعی در امتــداد وب بــراي ســه فرآینــد پروفایــل ســرعت ســو

هـایی پیشـرانه سرعت سوزشنتایج در این شکل باشد. یمگري ریختهروش بـا اسـتفاده از انـد، گـري شـده که از طریق متد مختلـف ریختـه

هـاي نکته آنکـه داده بدسـت آمـده اسـت. و شـبیه سـازي التراسونیک متفـاوت از هاي مختلف ریختـه گـري سوزشی بدست آمده براي روش

پروفایـل سـرعت سـوزش ) 17( شـکل عالوه بر ایـن در باشند. هم میترسیم شده است. نکته جالب توجه در ایـن Bو Aطولی براي فرآیند

.]14[باشـد یمـ ثابت کامالًشکل این است که در هر دو مورد پروفایل هـاي تجربـی کـه از طریـق ها نتایج مربوط بـه داده در کلیه این شکل

هاي حاصل از اند با دادهتست استرند برنر و یا التراسونیک بدست آمده اند.اي مقایسه شدهفرضیه مدل الیه

.]14[پدیده کوهانی شدن (نتایج تست سوزش) -15شکل

.]14[سرعت سوزش شعاعی در طول وب (نتایج التراسونیک) -16شکل

جامد مرکب هاي یشرانهشدن در پ یکوهان یدهموثر بر پد يبر پارامترها يمرور

81

.]14[(نتایج التراسونیک) در راستاي طول سرعت سوزش -17شکل

ي، پروفایــل مربــوط بــه نقــاط ا نقطــهگــري بــه روش ســه در ریختــهشـوند یمـ 1یختـه آمگري شده در زیر نقاط و در جایی کـه بهـم ریخته

در 2/2% حـدوداً متوسـط به طـور اي که خیلی با هم متفاوتند؛ بگونهاسـت. ایـن نتـایج توافـق مناسـبی بـا تـر بـزرگ نقاط به هم آمیختـه .]14[بزرگ دارندهاي SRMمشاهدات موجود در

پیشـرانه سـاختار کـرو یمارتباط انحراف میانه وب با -4 مرکب حاوي مقدار زیاد آلومینیوم

هاي جامد، کیفیت کلـی محصـوالت در تضمین کیفیت موتور پیشرانه. شـود مـی یله فرآیندهاي کنترلی مناسب ضمانت به وسنهایی همیشه

هـاي یـده پد، دانسـتن SRMبراي افزایش قابلیـت اطمینـان عملکـرد افتـد امـري یمـ که در حین فرآیند تولید و بهره برداري اتفاق فیزیکی ، دوغاب پیشرانه، که ترکیبی از باینـدر، معموالًرسد. یبه نظرمضروري

مسـتقیم درون بـه صـورت باشـد، یمذرات اکسیدکننده و سایر اجزاء یله منـدرل شـکل دهـی بـه وسـ و شـود مـی گري پوسته موتور ریخته

بـه ویسکوزیته باال به علتگري دوغاب یخته. در حین فرآیند رشود میهـاي صـورت گرفتـه سـرعت یبررسآید. طبق در می 2تجمعی صورت

باشـد. در مـورد فرآینـد یمـ هـاي دوغـاب سوزش تابعی از زاویه الیـه بـه ، سـاختار جریـان دوغـاب 3هایی با حفره مرکزي SRMگري ریختهسه بعدي بوده و تبه صورویسکوزیته باال و غیر نیوتنی بودن آن علت

باشد. با توجه به آنچه تاکنون بیان شـده یمیچیده پداراي توزیع بردار است، انحراف سرعت سوزش تابعی از الگوي جریان دوغاب پیشرانه در

باشد. طبـق ایـن اطالعـات، ایـن احتمـال یمگري حین فرآیند ریختهوجود دارد که سرعت سوزش وابسته به مشخصه ریز ساختار هندسـی

یـا 4گیـري ها باشد. برخی از محققان بر این باورنـد کـه جهـت یشرانهپبر روي سرعت سـوزش موضـعی درشتآرایش ذرات آمونیوم پرکلرات

هـاي کوچـک، بایست، تسـت سوزشـی موتور یماثرگذار است. بنابراین گیري سرعت سوزش استرند برنر و مشاهده میکروسـکوپی درون اندازه

1- Knit-line 2- Piles Up 3- Center-perforated 4- Orientation

ی روشن گردد. به خوبیزم دقیق این اتفاقات مکانپیشرانه انجام گیرد تا هـاي یشرانهپدر ها آنو جهت درشتAPتصاویر مربوط به اندازه ذرات

-مـی تهیـه X-ray CTبـا اسـتفاده از دسـتگاه Alحـاوي مقـدار کـم . ]12[شود

فرضـیات سـرعت بـر اسـاس زمـان -محاسبات مربوط به نمودار فشـار نواخـت در محفظـه، ر یکسوزش یکنواخت، وابستگی بـه فشـار و فشـا

.]12[صورت گرفته استدر Alدر نمونه حاوي مقدار زیاد درشت APسمت و سوي زاویه ذرات

جهت ضخامت وب با استفاده از ارزیابی سـه بعـدي محاسـبه گردیـده شکل تعریف شده است که در zθو rθاین ارزیابی دو زاویه است. براي

.]12[اند یدهگردمعرفی )18(

در گـرین اسـتوانه اي یـک zθو rθتعریـف -18 شکل

.]12[پیشرانه جامد مرکب

، ها دادهنشان داده شده است. این )19(شکل در zθو rθنتایج مربوط به در rθباشـد. ي پیشرانه در حاالت مختلف مـی ها نمونهمقادیر میانگین

از طرف درونی و تر کوچکاي هیسمقاقابل به طورموقعیت میانه گرین 10در حدود rθاختالف میان مقدار بیشینه و کمینه بوده و نیزخارجی قابـل بـه طـور براي موقعیـت میانـه zθباشد. از طرف دیگر، یمدرجه

باشد و یماز مقادیر مربوط به طرف داخلی و خارجی تر بزرگاي یسهمقا .]12[باشد یمدرجه 7حدود در zθاختالف میان مقدار بیشینه و کمینه

در APگیري ذرات توزیع زاویه جهت -19 شکل .]12[پیشرانه

1395پاییز و زمستان -28شماره پیاپی -2شماره -دوازدهمسال -تحقیق و توسعه مواد پرانرژي

82

، یـک قطعـه مکعبـی APدرشـت همچنین براي ارزیابی جهت زاویه ذرات

شکل تهیه گردیده است. ایـن مکعـب داراي ترکیـب ثابـت از یـک نمونـه باشـد. در هنگـام تولیـد ایـن یمـ AP پیشرانه است که حاوي مقـدار زیـاد

قطره رتبـه صـو تصادفی به درون پوسـته مکعبـی به صورتمکعب، دوغاب گیـري تواند جهت یمقطره ریخته شده است. بر همین اساس قطعه مکعبی

در بلـوك xمحـور بر اسـاس را ارائه کند. جهت زاویه AP تصادفی از ذرات در امتـداد معمـوالً گردیده است. این نمودار ترسیم )20(شکل در مکعبی مینـه باشد و اختالف میان مقدار بیشـینه و ک یممسطح به صورتxمحور

دهـد کـه اخـتالف یمـ باشد. این نتیجـه نشـان یمدرجه 3تنها در حدود .]12[باشد یمجهت زاویه میان موقعیت میانه و دو طرف نمونه قابل توجه

در مکعب APگیري ذرات یع جهتتوز -20 شکل .]12[با زوایاي تصادفی پیشرانهنمونه

بینی شده توزیع سرعت سوزش در طول ضخامت پیشبا بررسی رفتار -مشخص مـی zθ و xهمچنین توزیع سرعت سوزش در امتداد و ،rθو

موقعیت مکانی باالترین سرعت سوزش در امتداد ضخامت وب شود کهو کمترین سرعت سـوزش در امتـداد محـور وب، در میانـه وب اتفـاق

دهد که توزیـع سـرعت سـوزش یمها نشان یبررسافتد. همچنین یمدرجه تغییر کند، معکوس 90جهت سرعت سوزش که یهنگاممحلی

ر حقیقت تأیید کننده مشخصه انحراف در میانـه گردد. این نتایج د یمــاالترین ســرعت ســوزش در ضــخامت وب یمــوب باشــد. موقعیــت ب

دارد. همچنـین موقعیـت rθین تر کوچکسازگاري مناسبی با موقعیت ین مقدار سرعت سوزش در امتداد محور نیز سازگاري باالیی تر کوچک

دهد که وقتی یمشان دارد. این نتایج ن zθین مقدار تر بزرگبا موقعیت در مقابل جهت سـرعت سـوزش کوچـک باشـد، APگیري ذرات جهت

.]12[باشد یمسرعت سوزش موضعی داراي مقدار باالیی

هاي ناهمگنسازي احتراق پیشرانه شبیه -5 گیري ذرات جهت اثر -5-1

اول اهمیت در هايهاي جامد اولویت یشرانهپبینی سرعت سوزش پیش

باشد. با توجه به آنچه بیان شد، اثر یمهاي راکت جامد یشرانهپاحتراق کوهانی شـدن بـه تغییـرات فضـایی در سـرعت سـوزش نسـبت داده

انه اي از فرآیند رئولوژي جریان دوغاب پیشـر یجهبه عنواننتکه شود میدهـد یمـ هاي اخیر نشان یبررسباشد. گري مطرح می در هنگام ریخته

APکه تغییرات فضایی در سرعت سوزش با تغییرات کسر محلی ذرات بـرش القـایی مهـاجرت در هنگـام آن هـم باشد کـه علـت یممرتبط حضـور بـه علـت دیگر، اثر کوهـانی شـدن به عبارتگري است. ریختههسـتند و نـه کـروي، رخ 1به کـره شـ بـه صـورت بزرگ که AP ذرات گـري این فرضیه، جریان دوغـاب در هنگـام ریختـه بر اساسدهد. می

.]8[کند یمبندي از ذرات تولید یک صفهـاي فاقـد یشـرانه پسازي نتایج حاصل از شبیه بخش از مقاله،در این

مـورد AP% کسـر جرمـی ذرات 80با بارگـذاري AP/HTPBمینیوم آلوبا درشتذرات% 65دو سایزي داراي APبررسی قرار گرفته است. ذرات

باشند. ذرات نـرم یم μm10% ذرات نرم به اندازه 15و μm200اندازه APهموژن در بایندر قرار گرفته و تنها ذرات به صورت APبـه درشت

AP. همچنین کسـر حجمـی ذرات اند شدهبسته بندي 2صریح صورت atm50هـا برابـر بـا سـازي باشد و فشار در کلیه شبیه یم% 50 درشت

.]8[باشد یم

ها کرهسوزش شبه -5-1-1ي هـا نسـبت ي تک توزیع در ها کرهي تصادفی و منظم از شبه ها بسته

به نمایش در آمده اسـت. )21(شکل ) در a2/a1β =( 3اياندازه مختلف .]8[باشد یم μm200معادل یک کره با قطر ها مکعبحجم این

م خوابیده منظ b)منظم ایستاده β=1.3( ،(a(بسته قطبی کروي -21شکل

(c 8[نامنظم[.

ي تصادفی و منظم از ذرات ها بستهارائه دهنده نتایج براي )22(شکل ، افزایش 6/1باالي βدر مقادیر باشد. یمهاي متفاوت βشبه کروي در

پیکربندي منظم، سرعت شود. در اندکی در سرعت سوزش مشاهده میسوزش ذرات شبه کـروي ایسـتاده همیشـه بیشـتر از ذرات خوابیـده

موجب تغییرات مهمی در سـرعت ،گیري ذرات باشد. بنابراین جهت یم

1- Spheroidal 2- Explicitly 3- Aspect Ratios

جامد مرکب هاي یشرانهشدن در پ یکوهان یدهموثر بر پد يبر پارامترها يمرور

83

1. این روند، در واقع اثبات کننده فرض هیسترشود میسوزش پیشرانه کند که ذرات شـبه کـروي کـه محـور یم. این فرض بیان ]8[باشدمی

نرمـال نسـبت بـه سـطح )AP(جهت گیري عمومی ذرات 2شبه اصلی-semiتري نسبت به زمانی کـه بـا محـور یعسرسوزش دارند، سوزش

major سازي دو بعدي، دهند. در شبیه یمموازي هستند از خود نشانیـک افـزایش در سـطح βه با افـزایش یک ذره بیضوي خوابیده همیش

β. علت این موضوع اینست که با افزایش دهد یمسوزش از خود نشان در ابتدا به سمت کروي تر شدن و سپس بـه سـمت حالـت APذرات

.]8[روند ایستاده می

هاي منظم سرعت سوزش محاسبه شده براي کره -22 شکل

.]8[و تصادفی

آنالیز ساده -5-1-2هـاي یز هندسی براي تأیید نتـایج عـددي بخـش آنالدر این بخش یک

ا در نظـر . این مدل ساده تنها یـک شـبه کـره ر شود میقبل پیشنهاد )23(شـکل در طبق آنچه که، φگیري با زاویه قطبی، گیرد. جهت یم

ارائـه )24(شکل سازي در . نتایج این شبیهشود میآمده است، تعریف .]8[شده است

.]8[رش خوردهشمایی از کره ب -23 شکل

1- Heister 2- Semi-Major

هاي منظم و نامنظم با نتایج محاسبات سرعت سوزش کره -24شکل

.]8[استفاده از مدل هندسی

حالی که پارامترهایی مثل تنش، تغییرساختار گرین بخـاطر اعمـال درفشار، اثرات موضعی سرعت گاز و مهـاجرت احتمـالی اجـزاء پیشـرانه

گذارند امـا در ایـن میـان اثـرات همگی بر پدیده کوهانی شدن اثر میی در سـرعت سـوزش محلـی در گـرین یتنش، موجب تغییـرات فضـا

.]26[ شودپیشرانه میدر همه موارد، تغییرات فضایی سرعت سوزش بخاطر دو اثر کـه تقریباً

دهد. این دو اثر بدلیل فرآیند بارگذاري پیشرانه در موتور است، رخ می عبارتند از:

گیري مناسب یا هم ترازي ذرات بزرگتر اکسید کننده بخاطر جهت -1گـري از نقطـه آغـاز ریختهحین جریان پیشرانهتنش در دوغاب وجود .باشدمی رسیدن به محل مناسب خود در گرینر پوسته موتور تا آن د

شود مناطقی که تغییر ترکیب درصد موضعی در پیشرانه؛ فرض می -2باشـند بنـابراین تنش اعمالی بیشتري دارند حاوي بایندر بیشتري مـی

گردند.موجب تغییرات مشاهده شده در سرعت سوزش پیشرانه میغییرات سرعت سوزش بر حسـب تغییـر جزئیات چگونگی ت )25(شکل دلیـل اصـلی افـزایش دهـد. گیري ذرات را به وضوح نشـان مـی جهت

سرعت سوزش در حالتی که ذرات موازي محور عمـودي هسـتند ایـن است که هدایت حرارتی در سطح سوزش پیشرانه در حالتی کـه ذرات به این صورت قرار دارند بیشتر است. از آنجـایی کـه هـدایت حرارتـی اکسید کننده بیشتر از بایندر است؛ لذا سرعت سـوزش بخـاطر حضـور

. ]26[شودذرات اکسید کننده بیشتر می

.]26[گیري ذرات بر روي سرعت سوزش گریناثر جهت -25شکل

1395پاییز و زمستان -28شماره پیاپی -2شماره -دوازدهمسال -تحقیق و توسعه مواد پرانرژي

84

گري پیشـرانه از کنـار منـدرل در موتـور در شرایطی که جریان ریختهشود که ذرات به صورت مـوازي بـا میباشد، نیروهاي برشی موجب می

سطح دیواره قرار گیرد و جریان شعاعی بین منـدرل و پوسـته موجـب بـراي )26(شـکل شـود. ایـن مـوارد در گیري شعاعی ذرات میجهتشود که گري یک موتور نشان داده شده است. در اینجا فرض میریخته

شـود کـه نیروي برشی اعمال شده در حین جریان پیشرانه موجب میذرات بزرگتر اکسیدکننده در جهـت نیروهـاي برشـی قـرار گیرنـد. از آنجایی که اندازه ذرات اکسیدکننده، بسیار کوچکتر از فاصله مشخصـه

گیري موضعی بـا جهـت جریـان بـراي در جریان دوغاب هستند جهت .]26[تمام موتورها بجز موتورهاي خیلی کوچک قابل فرض است

.]26[پیشرانهگري دوغاب جهت گیري ذرات در حین ریخته -26شکل

گیرينتیجه -6کـه رفتـار کندمـی مشـخص یخوبمطالعات و تحقیقات انجام شده به

. بـر باشـد یآن م گري یختهر یندجامد وابسته به فرآ یشرانهپ یکیبالست وي پدیـده بـر ر گريفرآیند ریختهدر این مقاله ارزیابی اثر همین اساس

نتایج .صورت پذیرفت هاSRM ا انحراف سرعت سوزش ی کوهانی شدنگـري بـر روي سـرعت فرآیند ریختهحاکی از آن است که بدست آمده

؛ باشدمی گذاراثر پیشرانه بدلیل وجود خطوط جریان سوزش موضعیه بایـد در باشد ک یمیک گروه از سیاالت به عنوان پیشرانهزیرا دوغاب

سـیال در هـر زمـان داراي یـک مقـدار ی شـود و مشخصه یاب "زمان"و APاین مقدار مشخصه توسط جهـت گیـري ذرات باشد. یممشخصه

همچنین پارامتر دیگري کـه باشد. فرضیه خطوط جریان قابل فهم میبر روي سرعت سـوزش AP گیري ذرات مورد بررسی قرار گرفت، جهت

بـه میانـه گـرین در موقعیت rθدهد که باشد که نتایج آن نشان میمیباشـد یمـ از طـرف درونـی و خـارجی تـر کوچکاي یسهمقاقابل طور

درجـه 10در حدود rθهمچنین اختالف میان مقدار بیشینه و کمینه اي یسـه مقاقابل به طوربراي موقعیت میانه zθباشد. از طرف دیگر، یم

باشد و اخـتالف یماز مقادیر مربوط به طرف داخلی و خارجی تر بزرگ .باشد یمدرجه 7در حدود zθمیان مقدار بیشینه و کمینه

مراجع

[1] Agrawal, J. P. "High Energy Materials Propellants, Explosives and Pyrotechnics."; WILEY-VCH., 2010.

[2] Kenneth, K. K.; Summerfield M. "Fundamentals of Solid-Propellant Combustion.";J. AIAA, 1984.

[3] Davenas, A.; Thepenier, J. "Recent Progress in the Prediction and Analysis of the Operation of Solid Rocket Motors.";J. Acta Astronautica, 1999, 44 461-469.

[4] Schmidt-Laine, C.; Edarh-Bossou, T. K. "Contribution to the Modelling of the Hump Effect by the Study of an Equation of Hamilton-Jacobi Type.";J. Bull. Belg. Math. 2000, 7, 249-259.

[5] Friedlander, M. P.; Jordan, F. W. "Radial Variation of Burning Rate In Center Perforated Grains."; AIAA/SAE/ASME 20th Joint Propulsion Conference, 1984.

[6] Beckman, C. W.; Geisler, R. L. "Ballistic Anomaly Trends in Subscale Solid Rocket Motors."; AIAA/SAE/ASME 18th Joint Propulsion Conference, 1982.

[7] Deepak, D.; Jeenu, R.; Sridharan, P.; Padmanabhan, M. S. "Direct Evidence of Spatial Burning Rate Variation As Cause of Midweb Anomaly."; J. Propul. Power, 2001,2,17.

[8] Plaud, M.; Gallier, S.; Morel, M. "Simulations of Heterogeneous Propellant Combustion: Effect of Particle Orientation and Shape."; Proceedings of the Combustion Institute, 2014.

[9] Heister, S. D. "Ballistics of Solid Rocket Motors with Spatial Burning Rate Variations."; J. Propulsion, 1992, 9, 4: Technical Notes.

[10] Davenas, A. "Solid Rocket Propulsion Technology."; 1993.

[11] Breton, P. L.; Ribereau, D. "Casting Process Impact on Small-Scale Solid Rocket Motor Ballistic Performance."; J. Propuls Power. 2002, 18, 6.

[12] Kitagawa, K.; Shimada, T.; Hasegawa, H.; Fukunaga, M.; Miyachi, H. "Correlation of Midweb Anomaly with Microstructure of Composite Propellant."; 46th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, 2010.

[13] Eagar, M. A.; Jordan, F. W. "A Robust Ballistic Design Approach for The Space Shuttle Advanced Solid Rocket Motor."; AIAA J. 1993,l.

[14] Ribereau, D.; Breton,P. L.; Ballereau, S. "Casting Process Effect on Composite Solid Propellant Burning Rate.";J. AIAA, 2001.

[15] Brauner, C. M.; Namah, G.; Fife, P.; Schmidt-Laink, C.; Gossant, B.; Uhrig, G. "Solid Propellant Combustion in Striated Media with Application to the Hump Effect.";J. AIAA, 1992.

[16] Kallmeyer, T. E.; Sayer, L. H. "Differences Between Actual and Predicted Pressure-Time Histories of Solid Rocket Motors."; AIAA J., 1982.

[17] Chedevergne, F.; Casalis, G.; Féraille, T. "Biglobal Linear Stability of the Flow Induced by Wall Injection."; J. Phys. Fluids, 2006, 18 (1).

جامد مرکب هاي یشرانهشدن در پ یکوهان یدهموثر بر پد يبر پارامترها يمرور

85

[18] Anthoine, J.; Buchlin, J.-M.; Guéry, J.-F. "Experimental and Numerical Investigations of Nozzle Geometry Effect on the Instabilities in Solid Propellant Boosters."; J. AIAA, 2000, 35, 60.

[19] Anthoine, J.; Lema, M. "Passive Control of Pressure Oscillations in Solid Rocket Motors: Cold-Flow Experiments."; J. Prop. Power, 2009, 25, 3.

[20] Gallier, S.; Godfroy, F.; Plourde, F. "Computational Study of Turbulence in a Subscale Solid Rocket Motor."; J. AIAA, 2004, 4052.

[21] Prevost, M.; Godon, J.C.; Innegraeve, O. "Thrust Oscillations in Reduced Scale Solid Rocket Motors Part I: Experimental Investigations."; J. AIAA, 2005, 4003.

[22] Hasegawa, H.; Fukunaga, M.; Kitagawa, K.; Shimada, T. "Burning Rate Anomaly of Composite Propellant Grains, Combustion.";J. Explos., Shock Waves, 2013,49, 5, 583–592.

[23] Gallier, S.; Prevost, M.; Hijlkema, J.; Roumy, M. "Effects of Cavity on Thrust Oscillations in Subscale Solid Rocket Motors."; 45th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, 2 - 5 August, 2009.

[24] Ribereau, D.; Dauch, F.; Fouin, G.; Lefrere, R. "Assessment of Solid Propellant Motor Internal Ballistics at Full-Scale With Ultrasound Measurements."; 36th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit, 2000.

[25] Frederick, R.; Traineau, J-C.; Popo, M. "Review of Ultrasonic Technique for Steady State Burning Rate Measurements."; 36th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference And Exhibit, 2000.

[26] Heister,S. D. "Influence of Propellant Rheology on Ballistic Response of Solid Rocket Motors."; 27th Joint Propulsion Conference, Sacramento,CA,U.S.A. June 24-26, 1991.