Study of Soderholm Erosive Burning Model in Internal Ballistic Analysis of Solid Rocket Motors

Document Type : Original Article

Authors

1 Department of Aerospace Engineering ,,K.N.Toosi University of Technology, Tehran, IRAN

2 Department of Aerospace Engineering, Khaje Nasir Toosi University of Technology

Abstract

In this study, the Saderholm erosive burning model is presented as a comprehensive model. Types of propellant (double-based or composite), the need for experimental coefficient for each engine, are the most important limitations of erosive burning models. These require a lot of propellant characteristics and also limitations on the application of some models for high length-to-hydraulic Diameter ratios motors (over 40). In this study, it has been shown that the Saderholm erosive burning model simulates the internal ballistics behavior of a solid propellant engine with an acceptable approximation. Two types of engines with different propellant and length-to-hydraulic Diameter ratios about 30 and 40, the quasi-one dimensional quasi-steady ballistics is solved by using generalized flow equations based on the Saderholm and Greatrix erosive burning models. Finally, it was demonstrated that the Saderholm model is comprehensive for design and numerical work (where there is not much propellant coefficient) and simulates the behavior of the engine with very good approximation.

Keywords

Main Subjects


Article Title [فارسی]

مطالعه مدل سوزش فرسایشی سادرهلم در تحلیل بالستیک داخلی موتور سوخت جامد

Authors [فارسی]

  • محمد مهدی کمالی نیا 1
  • فرشید مسیحی زاده 1
  • حسن کریمی 2
1 دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، تهران، ایران
2 هیأت علمی و ریاست دانشکده هوافضای دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی
Abstract [فارسی]

در این پژوهش بررسی مدل سوزش فرسایشی سادرهلم (Saderholm) به‌‌عنوان یک مدل جامع ارائه شده‌است. محدودیت‌‌های مدل‌‌های سوزش فرسایشی شامل وابستگی به جنس سوخت (دوپایه یا مرکب)، نیاز به داده‌‌های تجربی برای هر موتور، مستلزم داشتن مشخصات بسیار زیادی از سوخت و نیز محدودیت در به‌‌کارگیری برخی از مدل‌‌ها برای موتورهای با نسبت طول به قطرهیدرولیک زیاد (بالای 40) است. در این پژوهش با بررسی مدل سوزش فرسایشی سادرهلم نشان داده شد که این مدل با تقریب قابل قبولی رفتار داخلی موتور سوخت جامد را مدل‌‌سازی می‌نماید. در دو نوع موتور با سوخت متفاوت و نسبت طول به قطر هیدرولیک حدود 30 و 40، بالستیک شبه‌‌یک‌‌بعدی شبه‌‌پایا با استفاده از معادلات جریان تعمیم‌‌یافته برپایه‌‌ی مدل‌‌های سوزش فرسایشی سادرهلم و گریتریکس (Greatrix) بررسی شد. در نهایت اثبات گردید که مدل سادرهلم برای کارهای طراحی و عددی (که داده‌‌های زیادی از سوخت وجود ندارد.) جامعیت داشته و با تقریب بسیار مناسبی رفتار موتور را مدل‌‌سازی می‌‌کند.

Keywords [فارسی]

  • مدل جامع جایگزین
  • گریتریکس
  • شبه‌‌یک‌‌بعدی شبه‌‌پایا
  • جریان تعمیم‌‌یافته
[1]    م. دانشور, «توسعه یک کد کامپیوتری جهت طراحی بهینه موتورهای سوخت جامد با گرین استوانه‌ای»، پایان‌نامه کارشناسی ارشد، دانشکده هوافضا، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، تهران، 1385.
[2]    G. P. Sutton, Rocket propulsion elements, 9th ed, Canada: John wiley & Sons, 2016.
[3]    Y. Timnat, Advanced chemical rocket propulsion, Haifa,Israel, 1987.
[4]    R. W. Humble, Space propulsion analysis and design, Colorado: McGraw-Hill, 1976.
[5]    K. Kuo: M. Summerfield, Fundamentals of solid-propellant combustion, New York: AIAA, 1984.
[6]    کریمی مزرعه‌شاهی، حسن؛ رزاقی، بهروز؛مبانی طراحی موتور سوخت جامد؛ سازمان صنایع دفاع؛ تهران؛  1393.
[7]    Solid rocket motor performance analysis and prediction, NASA Space Vehicle Design Criteria (Chemical propulsion), NASA SP-8039, 1971.
[8]    C. D. Mikkelsen, G. P. Roys, "Application of the Saderholm Erosive Burning Model to Nozzleless Solid Propellant Rocket Motors,"18th Propulsion Conference, Cleveland, Ohio, 1982.
[9]   C. D. Mikkelsen, D. Clark, G. P. Roys, and Patrick, "Application of the Saderholm Erosive Burning Model,"spacecraft, JAN.-FEB 1984.
[10] Q. Wang, "Development of erosive burning models for CFD predictions of solid rocket motor internal environment,"Propulsion Conference, Huntsiville, Alabama, 2003.
[11] E.M. Landsbaum, "Erosive burning Revisited,"Propulsion Conference, Huntsville,Alalbama, 2003.
[12] A.  K. Rettenmaier, “Experimental evaluation of erosive burning in composite,” M.S. thesis, Purdue University, West Lafayette, Indiana, 2012.
[13] ع. آملی،س.م. میرساجدی،«بررسی اثر شتاب و نوسانات طولی بر بالستیک داخلی موتور سوخت جامد به‌کمک حل جریان تعمیم‌یافته،» دهمین کنفرانس انجمن مهندسان مکانیک ایران, تهران، دانشگاه خواجه نصیرالدین طوسی, اردیبهشت 1381.
 [14] D. Vigano, A. Annovazzi, and F. Maggi, “MonteCarlo Uncertainty Quantification Using,”International Journal of Aerospace Engineering, 2016.
[15]  J. M. Zucrow,J. D. Hoffman, Gas Dynamics, vol. 1&2, Canada: John Wiely & Sons, 1976.
 [16] J.J. Gottlieb,D. R.  Greatrix, "Numerical study of the effects of longitudinal acceletation on solid rocket motor internal ballistics,"Journal of fluids engineering, vol. 114, p. 404, 1992.