提出了一种利用具有新型嵌套螺旋结构的固体燃料药柱以改善混合火箭发动机燃烧性能的技术。
需要JoVE订阅才能观看此内容。 请登录或开始免费试用
本文内容
摘要
摘要
提出了一种利用新型燃料药柱结构来改善混合火箭发动机燃烧性能的技术。该技术利用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯与石蜡基燃料不同的退移速率，通过相邻叶片间沟槽形成的旋流和回流区，增强物质与能量的交换。采用离心浇铸技术将石蜡基燃料浇铸至由三维打印制成的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯基底中。以氧气作为氧化剂，开展了一系列实验以研究该新型燃料药柱的燃烧性能。与传统的石蜡基燃料药柱相比，具有嵌套螺旋结构且可在整个燃烧过程中保持结构稳定的燃料药柱，在退移速率方面表现出显著提升，并在提高燃烧效率方面展现出巨大潜力。
引言
迫切需要一种能够提高混合火箭发动机燃烧性能的技术。迄今为止，混合火箭发动机的实际应用仍远少于固体和液体火箭发动机1,2。传统燃料的低回归速率限制了混合火箭发动机推力性能的提升3,4。此外，由于其内部为扩散燃烧，燃烧效率略低于其他化学能火箭5，如图1所示。尽管已有多种技术被研究和开发，例如多端口设计6、添加增强型添加剂7,8,9、使用可液化燃料10,11,12、旋流喷射13、凸起结构14以及钝体结构15，但这些方法在容积利用率、燃烧效率、....
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
方案
1. 实验设置与操作步骤
- 燃料药柱的制备
注意：具有新型结构的燃料药柱由两部分组成，如图4所示。作为新型药柱的主要部分，石蜡基燃料占总质量的80%以上。丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）基底作为附加燃料使用。该燃料药柱的制备通过结合3D打印与离心浇铸实现。- 基底制备
- 打开3D软件以绘制ABS基底。
注意：ABS基底旨在为石蜡基燃料提供螺旋框架和支撑，由十二个集成叶片组成，沿轴向和壁面顺时针旋转360°。 - 将ABS基底的3D结构保存为STL文件。
- 打开3D切片软件并导入ABS基底的结构。
- 点击开始切片，并在主模板中选择快速打印模式。
注意：对于主挤出机，选择ABS 1.75 mm。 - 双击快速，将填充密度更改为100%，并在平台附加结构中选择带裙边的筏板。
注意：为了提高打印质量并防止翘曲，有必要使用打印基底结构（带裙边的筏板
- 打开3D软件以绘制ABS基底。
- 基底制备
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
结果
图7展示了燃烧室压力和氧化剂质量流量的变化。为提供必要的流动调节时间，氧化剂提前进入燃烧室。当发动机在燃烧室内建立压力时，氧气质量流量迅速下降，随后保持相对稳定的变化。在燃烧过程中，燃烧室内的压力保持相对稳定。
新型燃料药柱的压强脉动频谱包含三个明显的峰值，分别对应于混合型低频、亥姆霍兹模态以及燃烧室内声学半波长共振模式34。图8展示了燃烧室压强振荡频率对比图像。与石蜡基燃料相比，新型燃料药柱对应的压强峰值位置基本一致，表明该新型结构不太可能引入额外的燃烧振荡。此外，从平滑曲线中可以明显看出，新型结构使主导低频压强振荡的幅值略有增大。因此，在新型燃料药柱实际应用之前，还需进一步开展结构优化，以降低压强振荡的幅值。
图9展示了新型燃料药柱与石蜡基燃料药柱在氧化剂通量不同条件下的回归速率对比。与传统的HTP.......
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
讨论
本文介绍的技术是一种采用具有嵌套螺旋结构燃料颗粒的新型方法。建立所需设备和设施不存在困难。该螺旋结构可通过3D打印轻松制备，而石蜡基燃料的嵌套则可通过离心浇铸轻易实现。熔融沉积成型（FDM）3D打印机价格不高，离心机的成本也较低。
当发现成型燃料药柱内表面存在不可忽略的裂纹时，将熔融混合器中的加热温度升高至 200 °C。随后利用石蜡基燃料的低黏度特性进行修补浇注，以填充燃料药柱的孔隙。待药柱完全冷却后，对内孔进行抛光处理，直至其直径与原始设计一致。
该方案中有多个关键步骤。在步骤 1.1.1.5 中，由于 ABS 基底与打印平台之间的接触面积较小，基底底部容易发生变形，并在打印过程中发生滑动，最终导致打印失败。通过增大底面接触面积可显著缓解这一问题。研究发现，采用Raft with Skirt参数效果最佳。填充密度必须设置为 100%，以减少 ABS 基底中的打印空隙并提高打印密度。此外，在步骤 1.1.1.8 中，将加热平台温度设置为 100 °C 可有效防止 ABS 基底发生翘曲。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
本工作得到国家自然科学基金（项目编号：11802315、11872368 和 11927803）以及国防科技重点实验室装备预研基金（项目编号：6142701190402）的支持。
....访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 3D 打印机 | Raise3D | N2 Plus | 305 × 305 × 605 mm |
| 3D 绘图软件 | Autodesk | Inventor | |
| ABS | Raise3D | ABS 黑色 | 1.75 mm |
| 相机 | Sony | A6000 | |
| 碳粉 | Aibeisi | ATP-88AT | |
| 离心机 | Luqiao Langbo Motor Co.Ltd | 定制 | ≤1450 rpm |
| 数据处理软件 | OriginLab | Origin 2020 | |
| EVA | 杜邦公司 | 360 | 粘结剂 |
| 质量流量控制器 | Bronkhost | F-203AV | 0–1500 ln/min |
| 熔融混合机 | 温州诚毅机械有限公司 | 定制 | |
| 多功能数据采集卡 | NI | USB-6211 | |
| 石蜡 | 中国石化集团公司 | 58# | 全精炼石蜡，熔点≈58°C |
| 聚乙烯蜡 | 卡塔尔石油化工公司 | 定制 | |
| 切片软件 | Raise3D | ideaMaker | |
| 火花塞 | NGK | PFR7S8EG | |
| 硬脂酸 | ical Reagent Company | 定制 | 固化剂 |
参考文献
- Boiron, A. J., Cantwell, B. 49th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference. , (2013).
- Mazzetti, A., Merotto, L., Pinarello, G. Paraffin-based hybrid rocket engines applications: A review and a market perspective. Acta Astronautica. 126, 286-297 (2016).
- K....
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
重印与许可
