NO162195B - Fremgangsm te for fremstilling av et fast partikkelatalysatormateriale og olefinpolymeriseringskatalysator som omfatter et slikt. - Google Patents

Description

Rakettdrivblokk

Det er mulig å fremstille rakettdrivblokker,

som utvendig har sylindrisk form men som har et tverrsnitt av sådan struktur dg utformning at den gassutviklende overflate varierer under forbrenningen på en på forhånd bestemt måte.

Det er praktisk talt umulig å oppnå en

konstant forbrenningsoverflate hvis represen-tative kurve er et ideelt rektangel, meri det er meget viktig at drivladningen er slik at det oppnås fullt ut effektiv forbrenning.

Det er kjent at man i praksis bare kan ovér-veie den mulighet å la forbrenningen starte i sentrum for å avsluttes ved blokkens periferi, idet dette i praksis er den eneste mulighet til å holde motorens hylster kaldt under forbrenningen. Det har selvfølgelig lenge vært kjent å frembringe konstant gassutviklingsoverflate ved hjelp av én eller flere rørformede blokker, men i dette tilfelle kommer flammen i kontakt med veggen, hvilket medfører isolasjonsvanskelighe-ter eller termisk ineffektivitet. Blokker som er utformet for forbrenning innenfra, har imidlertid den mangel at de medfører et temmelig stort trykkfall midt under og på slutten av forbrenningen, hvilket trykkfall sterkt reduserer driv-kraften.

Det har allerede vært foreslått å fremstille drivblokker av to materialer med forskjellige pyrometriske egenskaper, idet disse anordnes i et forsøk på å nå en så konstant gassutviklings-håstighet som mulig under forbrenningen.

Således beskriver fransk patentstkrift nr.

1 302 604 rakettdrivblokker av typen bestående

av indre elementer som danner en kjerne med stjerneformet profil, hvilken kjerne oppviser et hulrom som likeledes har stjerneformet tverrsnitt, og av ytre elementer som er anordnet mellom nevnte kjernes ytre takker og avgrenser et sylindrisk legeme, hvor de indre elementer er ut-ført i et første krutt med en gitt forbrennings-

hastighet og har form av lag som er fokusert på, en akse som er forskjøvet i forhold til drivblokkens lengdeakse, og hvor de ytre elementer er utført i et annet krutt med en forbrenningshastighet som er forskjellig fra det første krutts forbrenningshastighet, og har form av lag som er fokusert på drivblokkens lengdeakse, og grenselinjen mellom kruttene i tverrsnittet gjennom drivblokken følger en kurve kalt Descartes' kurve.

Ved hjelp av den foreliggende oppfinnelse tilveiebringes der nå en drivladning av den ovenfor beskrevne type, hvis gassutviklende overflate forblir konstant under hele forbren-ningsperioden.

Dette oppnås i henhold til oppfinnelsen ved at de to krutt som anvendes i drivblokken, er av dobbeltbasistypen inneholdende nitrocellulose, nitroglycerol, stabiliseringsmidler, mykningsmidler, organiske kobber- og/eller blyforbindelser og eventuelt pulverformig aluminium.

Som følge av at disse krutt har «flat» karakteristikk, har den nye drivblokk bedre funksjoneringsstabilitet enn tilsvarende drivblokker hvor det er anvendt konvensjonelle krutt. Særlig foretrukne kruttsammensetninger er angitt nedenfor i tilknytning til beskrivelsen av drivblokkene under henvisning til tegningene.

De nye drivblokker innebærer således på clen ene side et kritisk valg av krutt og på den annen side en betinget fordeling av grenseoverflatene mellom materialene. Ved å kombinere disse to parametre kan man med stor presisjon fremstille sådanne drivblokker for hvert anvendelses-tilfelle, henholdsvis for hver type raketter eller andre projektiler. Eksempelvis kan man betrakte anvendelsen av to propergoler hvis lineære for-brenningshastigheter tilfredsstiller Saint-Ro-berfs lov V, = a,p<nl> og V., = a2pn- hvor eksponenten ni og n2 ligger tilstrekkelig nær hverandre til at forholdet mellom hastighetene V, a, — = —pnl n- varierer meget lite under for-V2 a.,

brenningen av de to grunner at eksponenten til p er nær null og trykket p selv ligger mellom snevre grenser.

Loven om forbrenning mellom parallelle lag i et homogent krutt viser at man kan passere fra en flammefront til en annen, idet man enten betrakter den første flammefront som et hylster av sfæriske bølger av samme radius sentrert på den første flammefront, eller som en overflate som står vinkelrett på nevnte første flammefront, og som skal betegnes «flammestråle».

Dersom derimot flammen passerer fra et krutt til et annet krutt ved å passere grenseflaten mellom disse, viser anvendelsen av prin-sippet med hylsterbølger at der finner sted brytning av flammefronten når grenseflaten pas-seres. På dette sted iakttaes også brytning av flammestrålene.

Det synes innlysende at flammestrålene på grunn av forplantningen gjennom parallelle lag følger Fermafs prinsipp, slik at brytningen med visse unntagelser følger sinusloven. Dersom således a betegner innfallsvinkelen som dannes mellom flammestrålen i det første krutt og normalen på grenseflaten mellom de to krutt, f5 betegner brytningsvinkelen som dannes av flammestrålen i det annet krutt og V, — V., betegner de respektive hastigheter av fiamme-V, Sin(t V,

fronten, fåes — = eller Sin'-) = — Sinn,

V., Sin(! V.,

V,

forutsatt — sinn < 1. Denne betingelse er alltid

V,

tilfredsstilt dersom man kan gjøre V, > V.,, dvs. dersom flammen beveger seg fra det hurtigste krutt til det langsomste krutt. Denne betingelse V.,

tilfredsstilles også av V, < V;, dersom sinu < —

V>

Faktisk gjelder alltid analogien med den optiske brytning så lenge anvendelsen av Descartes' lov gir en ekte sinuskurve.

Det er kjent i optikken at dersom sinp 7> 1, reflekteres strålen fullstendig. I det angjeldende tilfelle kan dette imidlertid ikke skje på grunn av utviklingen av forbrenningsoverflaten.

For å få den rette forståelse av parameter-betingelsene sett i forhold til valget av de to krutt, er det av betydning å betrakte det eksakte forløp av forplantningen av flammefronten for å kunne fastsette mest mulig presise relasjoner ikke bare mellom de forskjellige krutt men også mellom grenseoverflatene mellom suksessive lag i ett og samme krutt. I dette øyemed kan man f. eks. betrakte en hul, homogen sylindrisk blokk av et gitt krutt, hvilken blokk f. eks. har en ytre radius R og et indre tverrsnitt i form av en stjerne med. N identiske takker. Ef ter anten-nelse vil flammefronten anta form av en sirkel hvis diameter prograssivt vil øke inntil den har nådd de ytterste punkter av takkene av hul-rommets stjerneformede tverrsnitt. På dette tidspunkt er den opprinnelige blokk i realiteten redusert til P fragmenter hvis periferi raskt minsker men dog ikke øyeblikkelig. I løpet av dette tidsrom, som vanligvis betegner «forbrenningshale» minsker trykket progressivt, og rakettens drivkraft går mot null uten at der frembringes noen særlig nyttig effekt på grunn av den ineffektive forbrenning og den ufull-stendige utnyttelse av overflaten av rakettens kammer. Det ville derfor ubestridelig være en fordel å kunne redusere i betydelig grad denne «forbrenningshale». Dette er et av målene med oppfinnelsen, som innebærer samtidig tilfreds-stillelse av to betingelser, nemlig et riktig valg av materialer og en betinget utformning av de deler som utgjør drivblokken.

Dersom man nå betrakter to forskjellige materialer, f. eks. som ovenfor nevnt to propergoler, kan man under visse betingelser oppnå en flammefront som faller sammen med ytter-grensen av blokkens tverrsnitt på slutten av forbrenningen. Man kan oppnå dette interessante resultat ved at man benytter en slik intern utformning av blokken at den primære interne av-grensede stjerne formes på annen måte enn ved å danne konsentriske sirkler, og slik at den får tilstrekkelig store perifere dimensjoner til at den gassmasse som utvikles pr. sekund ved forbrenningens begynnelse blir av samme størrel-sesorden som den som utvikles på slutten av forbrenningen.

Man kommer således frem til en drivbiokk bestående av nøyaktig sammensatte blokker av forskjellige krutt, slik at grenseflatene mellom de forskjellige blokker avgrenser en annen stjerne av samme symmetri som stjernen som avgrenser blokkens indre hulrom.

Dersom man nå med I betegner kruttet med hastighet V,, hvilket er det som antennes først, dvs. det som også er anordnet nærmest blokkens sentrum, og med II betegner kruttet med forbrenningshastighet V.,, altså det som anordnes i den ytre del av blokken, konstaterer man at kruttet I må være begrenset innad av nevnte primære stjerne og utad av stjernen som av-grenses av kontaktoverflatene mellom de to krutt. Det annet krutt, II, er på sin side begrenset innad.av nevnte stjerne dannet av kontaktoverflatene mellom de to krutt og utad av det fiktive sylindriske hylster som på utsiden avgrenser drivblokken. Dette karakteristiske trekk gjør det mulig å sette opp grunnbetingel-sen for å nå de ønskede resultater, slik at en fagmann blir istand til å bestemme drivblokkens kvalitative og morfologiske karakteristika. Det kan således slåes fast at for at ovennevnte forbrenningshale skal kunne unngåes, er det nød-vendig — men tilstrekkelig — at flammestrålene i kruttet II faller sammen med de om drivblokkens akse konsentriske stråler. Det vil således forståes at det er vesentlig å kunne trekke opp meget nøyaktig de to stjerner som særpreger slike drivblokker. Oppgaven blir således å bestemme formen av den indre grenseoverflate og formen av grenseoverflatene mellom de forskjellige kruttyper.

I en utførelsesform kan man først fastsette kurven som representerer det loddrette tverrsnitt gjennom den indre stjerne.

Da den brutte stråle på et hvilket som helst punkt på nevnte stjerne er kjent, kan man beregne innfallsstrålen ved at man anvender det velkjente prinsipp om lysstrålers refleksjon. Nå er det slik at det på hvert punkt på nevnte indre stjerne ender en innfallsstråle som må være normal på den stjerne som dannes av grenseflatene mellom de forskjellige krutt. Det er da tilstrekkelig for å trekke opp nevnte indre stjerne at man bestemmer en bane loddrett på bunten av innfallende stråler. Når man således starter med en på forhånd fastsatt utformning av den indre stjerne, dvs. også for det loddrette tverrsnitt gjennom den flate som avgrenser drivblokkens hulrom, kan man grafisk bestemme grenseoverflatene mellom de forskjellige kruttpartier. Dersom man således forutsetter at drivblokkens ytre grenseoverflate er en sylinder, at man har fastsatt indre grenseoverflater og at man på riktig måte kan trekke opp grenseoverflatene mellom de forskjellige kruttpartier, kan man beregne alle de former og dimensjoner som er nødvendige for rasjonell fremstilling av fullt ut effektive drivblokker. •

En annen utførelsesform består i at man starter med å fastsette utformningen av blokkens indre avgrensende stjerne og derefter be-regner kurven for grenseoverflatene mellom de forskjellige krutt på en slik måte at den brutte stråle for hver innfallsstråle passerer gjennom drivblokkens lengdeakse.

Disse metoder gjør det mulig å velge svært fritt de kurver som avgrenser henholdsvis overflaten av drivblokkens hulrom og grenseoverflatene mellom de forskjellige kruttpartier. I praksis vil man som regel holde seg til løs-ninger som gir forholdsvis enkle kurver, slik at man unngår altfor store vanskeligheter ved kon-struksjonen av støpekjernene eller ekstrude-ringsdysene.

Etter således å ha vurdert betingelsene for hver av parametrene, gjenstår det å vurdere de nødvendige relasjoner mellom disse parametre.

Det vil lett forståes at disse relasjoner vil variere for hvert gitt tilfelle, tatt i betraktning at de er en funksjon av parametrene selv.

Dersom man som et eksempel betrakter en drivbiokk med sentrum O, med radius R og hvis hulrom er utformet som en stjerne med N takker, og at denne blokk omfatter partier som er sammensatt av to forskjellige krutt og er avgrenset av en grenseflate av utseende som en sylinder gjentatt N ganger, kan man, dersom det ene propergolkrutt, I, av tetthet qv har en forbrenningshastighet V, og en uttakskoeffisient C, og det annet propergolkrutt, II, har en tetthet y2, en forbrenningshastighet V2 og en uttakskoeffisient Co, lett bestemme dimensjonene av stjernen som avgrenser det indre hulrom samt relasjonene mellom trykket P og koeffisienten n av

V,

forbrenningshastighetene —.

V2

Ved bestemmelsen av dimensjonene av nevnte stjerne betraktes gassmassen (dm) som dri-ves ut i løpet av tidsrommet dt, omkretsen (L) av drivblokkens loddrette tverrsnitt, forbren-ningshastigheten (V), kruttets spesifikke masse (ø), trykket (P) på det betraktede tidspunkt t, uttakskoeffisienten (C) og tverrsnittet (S(.) av enden av projektilets utskytningsrør.

Dersom man forutsetter at forbrenningen varer en gitt tid, kan man lett bestemme trykket på et gitt tidspunkt ved hjelp av formelen 1 dm

Pt = • —. Dersom man betrakter blokken C.S,, dt

med dens to forskjellige krutt enten på tidspunktet 0, altså ved forbrenningens begynnelse, eller på tidspunktet T, hvor forbrenningen er slutt, vil trykket, som pr. definisjon er konstant, også være gitt ved formelen

Dersom man erstatter dm, og dm, med deres verdier, og dersom man eliminerer konstanten

LV, • D, LV2 : D2

Sc, fåes =

C, D2

Det vil sees av de nedenstående eksempler at det således blir meget lett å bestemme dimensjonene av den interne stjerne og følgelig også dimensjonene av de forskjellige partier som utgjør drivblokken.

Hva angår relasjonene mellom på den ene side forholdet mellom forbrenningshastighetene V, og Vo (n) og trykket P, kan man, dersom man forutsetter at trykkurven er flat, og dersom man forutsetter at det ikke finner sted noen innvirk-ning av forbrenningsgassene på de forskjellige kruttmasser, skrive at trykket P, som forutsettes å være det samme ved forbrenningens begynnelse og ved dens slutt, er som følger:

På et gitt tidspunkt t fås, når L, og L., betegner omkretsén av forbrenningsoverflåtene:

Når man på den annen side betrakter mas-sene av de td krutt (propergoler), som betegner henholdsvis M, og M.„ kan man ved integrering av den ovenstående ligning fra 0 til t skrive:

Det vil i det nedenstående under beskrivelsen av praktiske utførelsesformer påvises at man ved å benytte denne formel lett kan bestemme relasjonene mellom n og N.

Det er likeledes viktig å ta i betraktning muligheten av å anvende oppfinnelsen i de. to adskilte tilfelle hvor man bruker henholdsvis homogene og sammensatte propergoler.

I de homogene propergoler er forbrenningshastighetene utelukkende avhengige av sammensetningen og spesielt åv de tilsatte additiver og av innholdet av nitroglycerin. Disse sam-mensetningsvariasjoner kan imidlertid ha inn-virkning på kruttenes termodynamiske poten-sial. Det kan av og til være uhensiktsmessig eller lite praktisk å anvende samtidig to energe-tisk ekvivalente propergoler. Man kan imidlertid nøye seg med en tilfredsstillende tilnærmelse ved å betrakte dem som sådanne og å beregne drivblokken ved suksessive approksimasjoner.

Hva de sammensatte propergoler angår, av-henger deres forbrenningshastighet ikke bare av deres sammensetning men også av oxyda-sjonsmidlets granulometri. Man kan derfor be-gynne med å fastsette den indre form av drivblokkens hulrom og så bestemme kvotienten n av hastighetene V, og V;,.

Som det ses kan man ved hjelp av for-holdsregler som er et resultat av de utviklede betraktninger, temmelig lett, og i hvert tilfelle på en presis og systematisk måte, bestemme alle de kvalitative og morfologiske betingelser for de forskjellige partier som utgjør drivblokken samt egenskapene av denne etter sammensetningen av de forskjellige partier.

Drivblokkene kan fremstilles ved støpning av propergoler i egnede former eller ved sam-

mensetning av et visst antall blokkdeler, alter-nativt av deler av ett materiale og deler av et annet materiale. Etter at disse forskjellige elementer er satt sammen og har herdnet, fås en hul drivbiokk med ytre sylindrisk form, hvilken drivbiokk oppviser en fullt ut effektiv forbrenning. Man kan med fordel starte med en kjerne som er profilert innvendig og utvendig og på de ytre overflater av denne kjerne påsette kompletterende elementer fremstilt av et krutt som er forskjellig fra kruttet i kjernen, således at der fås en hul drivbiokk med utvendig sylinderform.

Disse to karakteristiske utførelsesformer skal som eksempler beskrives mer detaljert i det nedenstående under henvisning til de vedføyede tegninger, hvor: fig. 1, 2 og 3 viser tre drivblokkfragmenter av den i forbindelse med oppfinnelsen anvendte type,

fig. 4 viser et utsnitt av en utførelsesform av en drivbiokk fremstilt ved først å fremstille en kjerne,

fig. 5 viser et loddrett tverrsnitt gjennom en drivbiokk, hvor et ytre fragment er fjernet fra kjernen.

fig. 6, 7 og 8 er diagrammer som viser for-brenningshastigheten av de forskjellige krutt som er anvendt i drivblokkene, av hvilke et fragment er vist henholdsvis i fig. 1, 2 og 3.

Fragmentene som er vist i fig. 1, 2 og 3, ligner hverandre hva den generelle morfologi angår, men profilene av de forskjellige masser og kontaktflater er noe forskjellige for de forskjellige krutt som er anvendt. Fig. 1 viser et fragment som utgjør '/r, av det totale tverrsnitt av en drivbiokk fremstilt av to «lavtrykks-krutt» hvis fordeling er angitt henholdsvis med I og II.

Fortrinnsvis har krutt I følgende sammensetning:

I den samme utførelsesform kan krutt II fortrinnsvis kvalitativt være det samme som krutt I, men ha en annen kvantitativ sammensetning:

I eksemplet som er illustrert i fig. 2, er det benyttet to foretrukne «middels trykk» — krutt som likeledes har samme kvantitative sammensetning som de ovennevnte krutt men har føl-gende kvantitative sammensetning: henholdsvis I I eksemplet illustrert i fig. 3 er det anvendt to «høytrykks»-krutt, av hvilke krutt I fortrinnsvis har følgende sammensetning: ' og krutt II fortrinnsvis har sammensetningen:

De ovenfor angitte kruttsammensetninger har ved forsøk vist seg å være de fordelaktigste for de respektive formål.

I fig. 1, 2 og 3 representerer 0 horisontal-projeksjonen av drivlegemets lengdeakse.

For å oppnå en tilfredsstillende forbrenning, dvs. en effektiv og total forbrenning, er det hensiktsmessig at flammefrontene i krutt II har form av sirkelbuer med sentrum på nevnte akse 0, mens flammestrålene må være fokusert i et punkt i en viss avstand fra 0 i det indre av kruttmassen I.

Dersom man i fig. 4 betrakter f. eks. et punkt M på kurven L og punktet F, som er homologt med M, og som er fremkommet ved skjæring av strålen som starter i punktet 0 og går gjennom punktet M, med den ytre sirkel C, vil flammestrålen som går fra A til F, følge banen A M F, og dens forplantningstid vil være: Denne tid må være identisk for samtlige stråler som utgår fra punktet A. Stedet for punktet M er således gitt ved den nettopp angitte konstant. Dersom man nå med n betegner for-V,

holdet , fås uttrykket for nevnte konstant

V2

som følger: AM + n MF

Nå er imidlertid MF = OF OM = R -r- OM hvorved, man sluttelig får Am n OM = konstant. Stedet for punktet M, dvs. også kurven L, er en kurve som er kjent under navnet Descartes' oval.

Man bestemmer den ovennevnte konstant på en slik måte at L munner ut på sirkelen C i to

2k

punkter B, og B.> og avgrenser en bue lik

N

Dersom man betrakter B3 midt mellom B, og B2 og utvikler de ovenstående formler, kommer man frem til at man må gjøre n > 1 eller

V, > V,.

Dersom L utgjør en del av en stjerne med tre takker eller mer, viser det seg at AB., < R dvs. at konstanten er negativ. Den bestemmes altså av posisjonen av punktet A og verdien av n.

Man kan således ved på den ene side å gå ut fra gitte sammensetninger av de to «lavtrykks», «middelstrykk» eller «høytrykks» krutt og på den annen side å fastsette den ene eller den andre av parametrene for drivlegemets morfologi, nøy-aktig trekke opp det loddrette tverrsnitt gjennom drivblokken, av hvilken fragmenter for de tilfelle hvor det er anvendt lavtrykks, middelstrykks eller høytrykks krutt, er vist i fig. 1, 2 og 3.

På grunnlag av en videreutvikling av ovenstående betraktninger kan man også med fordel, slik som vist i fig. 4 og 5, fremstille en hul kjerne av krutt I, som i dette tilfelle er stjerneformet både på innsiden og på utsiden. Det er da tilstrekkelig å feste på de ytre overflater av denne kjerne kompletterende elementer fremstilt av krutt II for å komplettere det sylindriske driv-legeme.

Generelt vil denne utførelsesmåte fore-trekkes fremfor den foregående, fordi fabrika-sjonen blir meget mer bekvem i og med at kjernen danner et grunn-element på hvilket man kan feste kompletterende partier, hvilket er langt mer hensiktsmessig enn å gå ut fra et stort antall stykker med relativt innviklet profil som det kan være temmelig vanskelig å sette sammen. Dessuten utgjør en kjerne som angitt en relativt stor volumetrisk del av drivblokken, som kan støpes eller ekstruderes i en operasjon. Da alle de øvrige kompletterende stykker har identisk profil og identiske dimensjoner, for-enkles fremstillingen, og sammensetningen kan utføres hurtigere.

For å gi ytterligere opplysninger er det i fig. 6, 7 og 8 vist betydningsfulle utsnitt av forbrenningshastighetsdiagrammene for de henholdsvis lavtrykks, middelstrykks og høytrykks krutt som er valgt som eksempler i de i fig. 1, 2 og 3 viste utførelsesformer. Det er det svakt

hellende område av disse diagrammer som det er av betydning å ta hensyn til for å sikre

stabilisering av rakettens funksjonering for så-vidt som det ved hensiktsmessig utformning av

motoren aldri oppstår noen risiko for overtrykk

i det indre av motoren så lenge man arbeider i

de nevnte områder av disse diagrammer (fig. 6, 7 og 8).

Claims (4)

1. Rakettdrivblokker som forbrenner fullstendig og som utvikler en konstant mengde gass, av typen bestående av indre elementer som danner en kjerne med stjerneformet profil, hvilken kjerne oppviser et hulrom som liKeledes har stjerneformet tverrsnitt, og av ytre elementer som er anordnet mellom nevnte kjernes ytre takker og avgrenser et sylindrisk legeme, hvor de indre elementer er utført i et første krutt med en gitt forbrenningshastighet og har torm av lag som er fokusert på en akse som er for-skjøvet i forhold til drivblokkens lengdeakse, og hvor de ytre elementer er utført i et annet krutt mea en forbrenningshastighet som er forskjellig fra det første krutts forbrenningshastighet, og har form av lag som er fokusert på drivbloKKens lengdeakse, og grenselinjen mellom kruttene i tverrsnittet gjennom drivblokken følger en kurve kalt Descartes' kurve, karakterisert ved at kruttene er av dobbeltbasistypen inneholdende nitrocellulose, nitroglycerol, stabiliseringsmidler, mykningsmidler, organiske kobber- og/ eller blyforbindelser og eventuelt pulverformig aluminium.

2. Rakettdrivblokk ifølge krav 1, karakterisert ved at de indre elementer består av et lavtrykkskrutt av sammensetning: og de ytre elementer består av et lavtrykkskrutt av sammensetning:

3. Rakettblokk ifølge krav 1, karakterisert ved at de indre elementer består av et krutt av midlere trykk og av sammensetning: og de ytre elementer består av et krutt av midlere trykk og av sammensetning:

4. Rakettdrivblokk ifølge krav 1, karakterisert ved at de indre elementer består av et høytrykkskrutt av sammensetning: og de ytre elementer består av'et høytrykkskrutt av sammensetning: