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

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 si a corpului motorului racheta cu combustibil solid (MRCS).

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.

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.

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.

Autori:

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

Col.drd.ing. Dumitru Homei

Bibliogafie:

Dumitras C., Opran C., Prelucrarea materialelor compozite, ceramice si minerale, Editura Tehnica, Bucuresti, 1994

Stefanescu F., Neagu G., Mihai A., Materiale compozite, Editura didactica si pedagogica, Bucuresti, 1996

Ispas St., Materiale compozite, Editura Tehnica, Bucuresti, 1987

Craciunescu M., Materiale compozite, Editura SEDONA, Timisoara, 1998.

Toma V., Posibilitati de modernizare a rachetelor cu combustibil solid, Academia Tehnica Militara, 1996.

Iacobescu A., Procedee si tehnologii de prelucrare a materialelor compozite, ceramice si minerale, Referatul nr. 2 – Doctorat, Universitatea „Lucian Blaga” – Facultatea de Inginerie, Sibiu, 1999.