使用具有嵌套的 Helical 结构的新颖燃料颗粒提高混合火箭发动机的燃烧性能
January 18th, 2021
提出了一种利用固体燃料颗粒与新型嵌套级级结构技术，提高混合火箭发动机的燃烧性能。
该方法有助于回答如何提高颗粒燃烧性能的问题。该协议的主要优点是，利结构燃料颗粒不会随着燃烧过程而消失。此方法还可以应用于具有不同材料汇编（如 EBS 和 PUX）的颗粒公式。
首先使用 3D 软件制备丙烯酸丁苯二甲苯乙烯或 ABS 基材。将 3D 基板结构保存为 STL 文件。然后打开 3D 切片软件并导入结构。
单击"开始切片"，然后从主模板中选择速度打印模式。双击速度。然后将填充密度更改为 100%，并选择带裙子的木筏作为平台版。
单击"保存"并关闭，然后单击切片。打开 3D 打印机并导入 ABS 基板的切片文件。将加热床和喷嘴的温度分别设置为 100 和 240 摄氏度。
在稳定后单击"开始"打印。为确保印刷成功，请将固体胶水涂抹在热板上，以增加 ABS 基板与热板之间的粘附性。用于石蜡燃料制备制备原料石蜡、聚乙烯蜡、石酸、醋酸乙烯乙烯和碳粉。
根据手稿方向配置基于石蜡的燃油，并将配置的材料放入熔体混合器中。然后融化并搅拌，直到完全混合。将 ABS 基板放入离心机中，用端盖固定。
插入粉末并打开水冷却泵开关。然后打开离心机继电器，并将转速提高至 1，400 RPM。打开熔体搅拌机上的阀并开始铸造。
拆下燃油颗粒并修剪形状。测量并记录整个燃料颗粒的重量、长度和内径，并拍摄。要组装混合动力火箭发动机，请将燃烧室部分固定在滑轨上，装载燃油颗粒，并安装后燃烧室部分。
安装头和喷嘴。然后将火炬点火器安装在混合动力火箭发动机的头部。安装火花塞并连接电源。
连接测试台和气瓶之间的氮气、氧化剂、点火甲烷和点火氧气供应管路。连接工业计算机、多功能数据采集卡、质量流量控制器和测试台的控制箱。为测试台、质量流量控制器和点火器供电。
打开 FlowDDE 软件并单击通信设置。单击相应的连接界面，然后单击"确定"。单击打开通信以与流量控制器建立通信。
然后打开测量和控制程序（MCP）。设置多功能数据采集卡的输入输出通道，然后单击运行，与整个系统建立通信。检查 MCP 运行状态并设置为手动控制模式。
检查火花塞的工作条件并执行阀门测试。测试数据记录功能。接下来，打开设置接口并设置测试时间，包括阀门打开和关闭时间、点火时间和数据记录持续时间。
设置实验区的安全要求和明确人员。打开气缸阀，根据不同的质量流速条件调节调节阀的输出压力。打开设置接口并设置氧化剂质量流速。
打开相机，然后将 MCP 设置为自动控制模式并等待触发。单击"开始"以开始实验。大约一分钟后，单击"停止"并关闭相机。
关闭气瓶并打开管道中的阀门以释放压力。关闭测试台电源并拆下燃油颗粒。测量和拍摄燃油颗粒，如先前演示的。
此处显示了燃烧室压力和氧化剂质量流速的变化。为了提供调节流量的必要时间，氧化剂提前进入燃烧室。当发动机在燃烧室中制造压力时，氧质量流速会迅速下降，然后保持相对稳定的变化。
在燃烧过程中，燃烧室中的压力保持稳定。比较了燃烧室压力振荡频率。新型燃料颗粒的压力波动光谱包含三个不同的峰值，它们与混合低频、赫尔姆霍尔茨模式和燃烧室的声学半波有关。
新型燃料颗粒压力峰值的位置与石蜡燃料的仓位基本相同，表明新型结构不太可能引入额外的燃烧振荡。比较了燃料颗粒中作为氧化剂通量函数的回归率。在氧化剂质量流速的同时，新型燃料粒的回归率高于石蜡基燃料，随着氧化剂通量的增加，差距逐渐拉大。
特征速度用于比较燃烧效率。新型燃料颗粒在各种氧化剂和燃料比下表现出比石蜡颗粒更高的特性速度。这相当于燃烧效率平均提高约2%在尝试本协议时，请记住，石蜡燃料的铸造温度不能高于120摄氏度。
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概述
本文介绍了一种利用具有嵌套螺旋结构的固体燃料颗粒来提高混合推进剂火箭发动机燃烧性能的新技术。螺旋结构确保燃料颗粒在整个燃烧过程中保持其完整性。
关键研究组成部分
科学领域
- 燃烧性能
- 混合推进剂火箭发动机
- 燃料颗粒设计
背景
- 提高燃烧效率对混合推进剂火箭发动机至关重要。
- 传统燃料颗粒在燃烧过程中可能会降解。
- 新颖的结构可以潜在地提高性能。
- 可以探索不同材料组合用于燃料颗粒。
研究目的
- 开发能够提高燃烧性能的燃料颗粒设计。
- 研究螺旋结构燃料颗粒在燃烧过程中的耐久性。
- 评估这种方法对各种材料组合的适用性。
使用的方法
- 使用3D软件准备丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）基底。
- 将3D基底结构保存为STL文件。
- 将结构导入3D切片软件。
- 进行燃烧测试以评估性能。
主要结果
- 螺旋结构燃料颗粒显示出改善的燃烧性能。
- 燃料颗粒在整个燃烧过程中保持其结构。
- 该方法可以适应不同的材料配方。
结论
- 新颖的螺旋结构提高了混合推进剂火箭发动机的燃烧效率。
- 这种方法为未来的燃料颗粒设计提供了一个有前景的途径。
- 进一步的研究可以探索其他材料组合以实现优化。
常见问题
Executive Industry Relevance
This work presents a fuel grain design strategy for hybrid rocket propulsion systems, focusing on structural integrity and combustion efficiency. The nested helical structure enables sustained performance by resisting degradation during operation, offering a pathway to more predictable thrust profiles. Such innovations support de-risking in propulsion development by improving regression rate control and energy release consistency.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of material-property relationships under reactive conditions.
- Operational Value: Provides a reproducible platform for testing fuel-oxidizer interactions.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Facilitates standardized evaluation of regression rate as a function of oxidizer flux.
- Operational Value: Supports scalable preparation via centrifugal casting and 3D-printed substrates.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Offers a testbed for assessing combustion stability through pressure oscillation analysis.
- Operational Value: Enables iterative design refinement based on characteristic velocity and efficiency metrics.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into propulsion R&D workflows by linking fuel grain fabrication to performance testing, enabling data-driven design iterations. It supports early-stage screening of material combinations and structural geometries before full-scale testing.
- Discovery Biology: Not applicable; focused on material combustion behavior.
- Screening: Enables quantitative comparison of regression rates across oxidizer flux conditions.
- Analytics: Utilizes characteristic velocity and pressure spectra to assess combustion efficiency and stability.
- Translational Research: Supports continuity from lab-scale grain testing to engine-level performance prediction.
- Enterprise Reuse: The ABS substrate and casting process can be adapted for multiple fuel formulations.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Improves predictive confidence in fuel grain performance through structural persistence.
- Operational Value: Enhances reproducibility via standardized 3D printing and centrifugal casting.
- Strategic Value: Enables better go/no-go decisions by linking grain design to measurable combustion outcomes.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization of propulsion concepts based on efficiency gains.
Implementation Considerations
- Requires expertise in 3D modeling, slicing, and printer operation for substrate fabrication.
- Needs centrifuge and melt mixer for fuel casting, with temperature control below 120°C.
- Demands cross-team alignment between materials, manufacturing, and test engineering groups.
- Must account for material-specific adaptation when extending to EBS or PUX formulations.
- Limited by the need for specialized test bench instrumentation to capture pressure and flow dynamics.
