بخشی از مقاله
خلاصه
تعیین کهولت پیشرانه جامد مرکب یکی از عوامل موثر در نگهداری و انبارداری آنها میباشد و صنایع دفاعی و هوافضا همواره الزاماتی برای مسأله کهولت در نظر میگیرند. با توجه به نیاز انکار ناپذیر هر کشور به تسلیحات نظامی، تهیه و نگهداری مواد منفجره و مواد پرانرژی با حداقل هزینه بسیار حائز اهمیت است.
یکی از راه های کاهش هزینه، پیشبینی طول عمر پیشرانه و مواد منفجره و بررسی عوامل مؤثر بر آن به منظور افزایش طول عمر آنهاست. با توجه به نوآوریهای اخیر در این عرصه، بررسی کهولت پیشرانه از طریق آزمون آنالیز دینامیکی مکانیکی به دلیل نیاز بسیار کمتر به ماده اولیه نسبت به سایر روشها مورد توجه است. در این مقاله سعی بر آن شد روش تعیین فاکتور F معادلهی وانت هوف از طریق آزمون آنالیز دینامیکی مکانیکی و عوامل مؤثر بر آن برای استفاده در مدلسازی کهولت تسریع یافته جهت تعیین طول عمر پیشرانه مورد بررسی قرار گیرد.
.1 مقدمه
پیشرانه جامد راکتها و موشکها با گذشت زمان در شرایط انبارداری و نگهداری پس از تولید دچار تخریب میشوند و کارایی سامانههای موشکی را کاهش میدهند. در صنایع موشکی پدیده تخریب پیشرانه با گذشت زمان تحت عنوان کهولت طبیعی پیشرانه شناخته میشود. پیشرانه جامد کهولت یافته در برابر عوامل محیطی مختلف مقاومت لازم را از خود نشان نمیدهد و خواص بالستیکی و مکانیکی آن متأثر از عوامل خارجی از شرایط اولیه طراحیشده فاصله میگیرد. تخمین کهولت پیشرانه در ارزیابی طول عمر سامانههای موشکی عامل بسیار تأثیرگذاری میباشد. ارتقاء سطح آگاهی از مکانیسم کهولت از یکسو و حفظ خواص پیشرانه و کارایی سامانههای موشکی با گذشت زمان از سوی دیگر ضرورت مطالعه روش-های تخمین کهولت و عوامل مؤثر بر آن را اجتناب ناپذیر کردهاست
ارزیابی کهولت پیشرانه جامد تحت شرایط نگهداری و انبارداری طبیعی موشکبسیار وقت گیر و عملاً غیرممکن است. لذا از جهت تخمین طول عمر پیشرانه از روش کهولت تسریع یافته1 استفاده میشود. هدف از روش کهولت تسریع یافته پیشبینی و ارزیابی میزان تخریب پیشرانه میباشد، در این روش پیشرانه تحت شرایط دمایی بالا در بازه زمانی کوتاه-تر قرار گرفته میگیرد. به طور کلی اهداف کهولت تسریعیافته را میتوان در چند بند تقسیمبندی کرد:
1. دستیابی به یک هم ارزی کهولت در کمترین زمان ممکن نسبت به یک دمای مشخص - مثلاً دمای - 25°C
2. کشف مکانیسم کهولت
3. تعیین انرژی فعالسازی فرآیند کهولت یا پارامترهایی که دمایی کهولت بر روی آنها تأثیرگذار است.
4. استفاده از وابستگی دمایی برای توصیف پارامترهای پیشبینی کنندهی کهولت در هر دما و زمان.
5. استفاده از منحنی دما - زمان جهت شبیهسازی کهولت واقعی
آنالیز مکانیکی-دینامیکی - DMA - 2 یک تست غیرمخرب جهت اندازهگیری خواص مکانیکی میباشد. در این تست خواص فیزیکی در حالت نوسان متناوب اندازهگیری میشود از اینرو آنالیز مکانیکی -دینامیکی نامیده میشود. در واقع خواص دینامیکی-مکانیکی، خواصی هستند که تحت نیروی نوسانی با فرکانسهای متغیر اندازهگیری میشوند. در روش DMA تنش سینوسی شکلی بر روی نمونه موردنظر اعمال میشود و پاسخ ماده به این نیرو مورد تجزیه و تحلیل قرار می-گیرد. در شکل - 1 - نمونهای از یک دستگاه DMA نشان داده شده است
شکل -1 دستگاه آنالیز مکانیکی-دینامیکی
.2 عوامل موثر بر پدیده کهولت پیشرانه
عوامل موثر بر کهولت پیشرانه در سه گروه عوامل شیمیایی، فیزیکی و مکانیکی طبقه بندی میشوند. عوامل شیمیایی مبتنی بر اندرکنشهای شیمیایی پیشرانهها میباشد که می توان از اتصالات عرضی، بریدگی زنجیرهی پلیمری بر اثر آبکافت و واکنشهای زنجیرهای بر اثر اکسایش و یا کاهش آنتی اکسیدان، اکسایش بایندر و ناسازگاری شیمیایی نام برد . برای شرایط انبارداری در دماهای متفاوت تخمین کهولت بر مبنای عوامل شیمیایی بسیار حائز اهمیت می-باشد.
کاهش و مهاجرت نرمکننده، وجود رطوبت، حضور کاتالیزور سوختی مایع و انتقال فاز از متداولترین عوامل کهولت فیزیکی پیشرانهها میباشند. فرآیندهای شیمیایی و فیزیکی وابسته به پدیدههای نفوذ و واکنشهای ملکولیاند که میتوان آنها را از طریق فرآیندهای سنتیکی کنترل کرد . پدیدهی اکسایشمعمولاً در حین فرآیندهای اختلاط و پخت فرمولاسیون با حضور عامل آنتی اکسیدان رخ میدهد. این پدیده با گذشت زمان سبب ایجاد ترکهای ریز و درشت و به دنبال آن پیامدهای ناگوار میشود
ارتعاشات مکانیکی، کاهش دما و تنشهای گرمایی ناشی از تغییرات دمایی از مهم-ترین عوامل کهولت مکانیکی پیشرانهمیباشند. این دسته از عوامل مقاومت پیشرانه را در برابر نیروهای خارجی کاهش می-دهد. خواص کهولت مکانیکی پیشرانههایجامد مرکب عمدتاً تحت تأثیر ماتریس پلیمراند و براساس درجه شبکهای شدن قابل شناسایی هستند
.3 مدلهای ریاضی تخمین عمر پیشرانه
به منظور مدلسازی شرایط کهولت طبیعی، از برخی مدلهای ریاضی مکانیسم کهولت نظیر آرنیوس1، لایتون2، برتولت3 و وانتهوف4 با توجه به شرایط تسریع یافته صورت میپذیرد.
1-3 آرنیوس
متداولترین روش برای پیشبینی طول عمر پیشرانه استفاده از روش آرنیوس میباشد. این نوع آزمون اغلب برای تخریبهای گرمایی بکار میرود.
در آن Ea انرژی فعالسازی در فرآیندهای فیزیکی و شیمیایی در نظر گرفته میشود، R ثابت عمومی گازها و T دمای مطلق بر حسب کلوین است. در استفاده از روش آرنیوس فرض بر این است طی فرآیند کهولت تسریع یافته، اندارکنشهای شیمیایی نمونه که در تحت دمای بالا اتفاق میافتند با حالت کهولت طبیعی یکسان هستند
در روش آرنیوس تنها اثر فاکتور دما بر روی کهولت در نظر گرفته میشود، اما در واقعیت، پیشرانه مادهای است که جاذب رطوبت است و اثر این فاکتور هم باید در نظر گرفته شود. لذا روش آرنیوس از این نظر محدودیت عمدهای دارد. اگر ثابت سرعت واکنش در دو دمای کهولت تسریعیافته مشخص باشد، انرژی فعالسازی از طریق رابطهی - 2 - به دست می-آید
