Verbesserung der Verbrennungsleistung eines Hybrid-Raketenmotors mit einem neuartigen Kraftstoffkorn mit einer verschachtelten Helical-Struktur

Summary

Es wird eine Technik vorgestellt, bei der ein Festbrennstoffkorn mit einer neuartigen verschachtelten Spiralstruktur verwendet wird, um die Verbrennungsleistung eines Hybridraketenmotors zu verbessern.

Abstract

Es wird eine Technik zur Verbesserung der Verbrennungsleistung eines Hybridraketenmotors mit einer neuartigen Kraftstoffkornstruktur vorgestellt. Diese Technik nutzt die unterschiedlichen Regressionsraten von Acrylnitril-Butadien-Styrol und Paraffin-basierten Brennstoffen, die den Austausch von Materie und Energie durch Wirbelfluss- und Umwälzzonen erhöhen, die an den Rillen zwischen den angrenzenden Schaufeln gebildet werden. Die Zentrifugalgießtechnik wird verwendet, um den Paraffin-basierten Brennstoff in ein Acrylnitril-Butadien-Styrol-Substrat durch dreidimensionalen Druck zu gießen. Unter Verwendung von Sauerstoff als Oxidationsmittel wurden eine Reihe von Tests durchgeführt, um die Verbrennungsleistung des neuartigen Brennstoffkorns zu untersuchen. Im Vergleich zu Paraffin-basierten Brennstoffkörnern zeigte das Brennstoffkorn mit einer verschachtelten Spiralstruktur, das während des gesamten Verbrennungsprozesses erhalten werden kann, eine signifikante Verbesserung der Regressionsrate und ein großes Potenzial zur Verbesserung der Verbrennungseffizienz.

Introduction

Eine Technik zur Verbesserung der Verbrennungsleistung eines Hybridraketenmotors ist dringend erforderlich. Bis heute sind die praktischen Anwendungen von Hybridraketentriebwerken noch weit geringer als die von festigen und flüssigen Raketentriebwerken^1,2. Die niedrige Regressionsrate traditioneller Kraftstoffe begrenzt die Verbesserung der Schubleistung für den Hybridraketenmotor^3,4. Darüber hinaus ist seine Verbrennungseffizienz aufgrund der Verbrennungsverbrennung⁵etwas geringer als die anderer chemischer Energieraketen, wie in Abbildung 1dargestellt. Obwohl verschiedene Techniken untersucht und entwickelt wurden, wie die Verwendung von Multi-Ports⁶, Verbesserung der Additive^7,8,9, Verflüssigung Kraftstoff^10,11,12, Wirbelinjektion¹³, Vorsprünge¹⁴, und Bluff Körper¹⁵, Diese Ansätze sind mit Problemen in der Volumenauslastung verbunden, Verbrennungseffizienz, mechanische Leistung, und Redundanzqualität. Bisher hat die strukturelle Verbesserung des Brennstoffkorns, das diese Mängel nicht aufweist, mehr Aufmerksamkeit als wirksames Mittel zur Verbesserung der Verbrennungsleistung erregt^16,17. Das Aufkommen des dreidimensionalen (3D) Drucks hat eine effektive Möglichkeit, die Leistung von Hybrid-Raketenmotoren durch die Fähigkeit zu erhöhen, schnell und kostengünstig entweder komplexe konventionelle Korndesigns oder unkonventionelle Brennstoffkörner^{18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30}zu produzieren. Während des Verbrennungsprozesses verringern sich diese Verbesserungen der Verbrennungsleistung jedoch mit der charakteristischen Strukturverbrennung, was zu einer Abnahme der Verbrennungsleistung^{führt 23}. Wir haben gezeigt, dass ein neuartiges Design nützlich ist, um die Leistung von Hybridraketentriebwerken zu verbessern³¹. Die Einzelheiten zu dieser Technik und repräsentative Ergebnisse werden in diesem Papier vorgestellt.

Das Brennstoffkorn besteht aus einem Spiralsubstrat aus Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) und einem verschachtelten Paraffin-basierten Kraftstoff. Basierend auf Zentrifugal- und 3D-Druck wurden die Vorteile der beiden Kraftstoffe mit unterschiedlichen Regressionsraten kombiniert. Die spezielle Spiralstruktur des Brennstoffkorns nach der Verbrennung ist in Abbildung 2 dargestellt. Wenn Gas durch das Brennstoffkorn fließt, entstehen gleichzeitig zahlreiche Umwälzzonen an Nuten zwischen den Klingen, wie in Abbildung 3dargestellt. Diese charakteristische Struktur auf der inneren Oberfläche erhöht die Turbulenzen kinetische Energie und Wirbelzahl in der Brennkammer, die den Austausch von Materie und Energie in der Brennkammer erhöhen. Letztlich wird die Regressionsrate des neuartigen Brennstoffkorns effektiv verbessert. Die Wirkung der Verbesserung der Regressionsrate ist gut bewiesen: Insbesondere wurde die Regressionsrate des neuartigen Brennstoffkorns als 20 % höher als die des Paraffin-basierten Brennstoffs bei einem Massenstrom von 4 g/cm^2,32nachgewiesen.

Ein Vorteil des Brennstoffkorns mit einer verschachtelten Spiralstruktur ist, dass es einfach herzustellen ist. Der Formprozess erfordert hauptsächlich einen Schmelzmischer, eine Zentrifuge und einen 3D-Drucker. Das durch 3D-Druck gebildete ABS-Substrat reduziert die Herstellungskosten erheblich. Ein weiterer wesentlicher und einzigartiger Vorteil ist, dass der Verbesserungseffekt während des Verbrennungsprozesses nicht verschwindet.

In diesem Beitrag werden das experimentelle System und verfahren zur Verbesserung der Verbrennungsleistung eines Hybridraketenmotors unter Verwendung der neuartigen Kraftstoffkornstruktur dargestellt. Darüber hinaus stellt dieses Papier drei repräsentative Vergleiche von Verbrennungsleistungsparametern vor, um die Durchführbarkeit der Technik zu beweisen, einschließlich der Schwingungsfrequenz des Verbrennungsraumdrucks, der Regressionsrate und der Verbrennungseffizienz, die durch die charakteristische Geschwindigkeit gekennzeichnet sind.

Protocol

1. Versuchsaufbau und Verfahren

1. Zubereitung von Brennstoffgetreide
   ANMERKUNG: Das Brennstoffkorn mit neuartiger Struktur bestand aus zwei Teilen, die in Abbildung 4dargestellt sind. Als Hauptteil des neuartigen Getreides macht der Paraffin-brennstoff mehr als 80 % der Gesamtmasse aus. Das ABS-Substrat wird als zusätzlicher Kraftstoff verwendet. Die Herstellung dieses Brennstoffkorns wurde durch die Kombination von 3D-Druck und Zentrifugalguss realisiert.
   1. Substratvorbereitung
      1. Öffnen Sie 3D-Software für ABS-Substratzeichnung.
         HINWEIS: Das ABS-Substrat, das das Spiralgerüst und die Unterstützung für den Paraffin-basierten Kraftstoff liefern sollte, besteht aus zwölf integrierten Klingen, die sich im Uhrzeigersinn in axialer Richtung und an der Wand um 360° drehen.
      2. Speichern Sie die 3D-Struktur des ABS-Substrats als STL-Datei.
      3. Öffnen Sie die 3D-Schneidsoftware und importieren Sie die Struktur des ABS-Substrats.
      4. Klicken Sie auf Slicing starten, und wählen Sie den Druckmodus "Beschleunigen" aus der Hauptvorlage aus.
         HINWEIS: Für den Primärextruder wählen Sie ABS 1,75 mm.
      5. Doppelklicken Sie auf Geschwindigkeit, ändern Sie die Fülldichte auf 100 % und wählen Sie Raft mit Rock für die Plattformaddition.
         HINWEIS: Um die Druckqualität zu verbessern und Verformungen zu verhindern, ist es notwendig, eine Struktur der Druckbasis (Raft mit Rock) zu verwenden, um die Kontaktfläche zwischen dem Druckkörper und der Bodenplatte zu erhöhen.
      6. Klicken Sie auf Speichern und Schließen, und klicken Sie dann auf Slice.
      7. Schalten Sie den 3D-Drucker ein, und importieren Sie die ABS-Substrat-Slice-Datei.
      8. Stellen Sie die Temperatur des beheizten Bettes und der Düse auf 100 bzw. 240 °C ein.
      9. Klicken Sie auf Start, um nach der Stabilisierung zu drucken.
   2. Kraftstoffzubereitung auf Paraffinbasis
      1. Rohstoffe aus Paraffin, Polyethylen (PE)-Wachs, Stearinsäure, Ethylen-Vinylacetat (EVA) und Kohlenstoffpulver zubereiten. Konfigurieren Sie den Paraffin-basierten Kraftstoff entsprechend dem Verhältnis dieser Komponenten als 0.58:0.2:0.1:0.1:0.0.02.
         HINWEIS: Die spezifischen Informationen der einzelnen Rohstoffe sind in der Materialtabelle dargestellt. Das Verteilungsverhältnis von Paraffin-basiertem Kraftstoff ist nicht festgelegt und kann entsprechend dem Zweck des Experiments entsprechend angepasst werden. Der Zweck der Zugabe von Kohlenstoffpulver ist es, strahlungsstrahlungswärmeübertragung zu blockieren und zu verhindern, dass das Brennstoffkorn während der Verbrennung erweicht und zusammenbricht.
      2. Die konfigurierten Rohstoffe in den Schmelzmischer geben und vollständig schmelzen und rühren, bis sie vollständig vermischt sind.
         HINWEIS: Der Kraftstoff auf Paraffinbasis wird auf 120 °C erhitzt, um ein vollständiges Schmelzen zu gewährleisten und gleichzeitig eine Verformung der ABS-Klingen zu verhindern.
   3. Herstellung von Brennstoffgetreide
      ANMERKUNG: Um die Wirkung der Verbesserung der Verbrennungsleistung besser zu demonstrieren, wurden Paraffin-basierte Kraftstoffkörner mit der gleichen Zusammensetzung wie die Steuerung eingestellt.
      1. Legen Sie das ABS-Substrat in die Zentrifuge und sichern Sie es mit einer Endkappe.
      2. Schließen Sie die Stromversorgung an und schalten Sie den Wasserkühlpumpenschalter ein.
      3. Schalten Sie das Zentrifugenrelais ein und erhöhen Sie die Geschwindigkeit auf 1400 U/min.
      4. Öffnen Sie das Ventil am Schmelzmischer und starten Sie das Gießen.
         HINWEIS: Der geschmolzene Paraffin-basierte Kraftstoff fließt durch das Rohr und die Endabdeckung mit einer zentralen Öffnung in den anfangsen Formabschnitt. Unter dem Einfluss der Schwerkraft breitet sich der flüssige Brennstoff entlang der axialen Richtung der Form aus. In Kombination mit einer effektiven Kühlung ist ein Mehrfachgussverfahren erforderlich, bei dem der ursprüngliche einmalige Befüllungsprozess mehrfach aufgeteilt werden soll, um die thermische Belastung zu reduzieren.
      5. Entfernen Sie die Kraftstoffkorn und trimmen Sie die Form.
   4. Messung und Aufzeichnung von Kraftstoffkorn
      1. Messen und erfassen Sie das Gewicht, die Länge und den Innendurchmesser des Kraftstoffkorns.
      2. Fotografieren Sie das komplette Kraftstoffkorn.
2. Vorbereitung des Hybridraketentriebwerks
   HINWEIS: Wie in Abbildung 5dargestellt, bestand das Hybrid-Raketenmotorsystem aus vier Teilen: dem Versorgungssystem, dem Zündsystem, dem Motor und dem Mess- und Steuersystem. Der Motorteil bestand aus fünf Teilen: dem Brennerzünder, dem Kopf, dem Brennraum, dem Nachbrennraum und der Düse. Die Gesamtlänge des Hybridraketenmotors beträgt ca. 300 mm, der Innendurchmesser der Brennkammer 70 mm.
   1. Hybrid-Raketentriebwerksmontage
      HINWEIS: Die erschöpfenden Details der Hybridrakete im Labormaßstab und die Zusammensetzung des Versuchssystems finden Sie in der vorherigen Arbeit³².
      1. Befestigen Sie den Brennkammerabschnitt des Hybridraketenmotors auf der Gleitschiene.
      2. Laden Sie das Brennkorn und installieren Sie den Nachbrennkammerabschnitt.
      3. Installieren Sie den Kopf und die Düse.
      4. Installieren Sie den Brennerzünder auf dem Kopf des Hybridraketenmotors.
      5. Installieren Sie den Zündkerzen und schließen Sie das Netzteil an.
   2. Verbinden Sie die Stickstoff-, Oxidations-, Zündmethan- und Zündsauerstoffgasleitungen zwischen Prüfstand und Gasflasche.
   3. Schließen Sie den Industriecomputer, die Multifunktions-Datenerfassungskarte, den Massenstromregler und die Steuerbox des Prüfstandes an.
   4. Stromversorgung des Prüfstandes, des Massenstromreglers und des Zünders.
3. Überprüfen Sie das Testsystem und legen Sie die Versuchsbedingungen fest.
   1. Öffnen Sie die FlowDDE-Software, und klicken Sie in der Kommunikation auf Kommunikationseinstellungen.
   2. Klicken Sie auf die entsprechende Verbindungsschnittstelle und klicken Sie auf OK.
   3. Klicken Sie auf Kommunikation öffnen, um die Kommunikation mit dem Durchflussregler herzustellen und das Mess- und Regelprogramm (MCP) zu öffnen.
   4. Stellen Sie den E/A-Kanal der Multifunktionsdatenerfassungskarte ein und klicken Sie auf Ausführen, um die Kommunikation mit dem gesamten System herzustellen.
   5. Überprüfen Sie den MCP-Laufstatus und legen Sie den manuellen Steuermodus fest.
      HINWEIS: Der MCP enthält zwei Modi: Die manuelle Steuerung wird zum Debuggen und die automatische Steuerung während der Experimente verwendet. Das von LabVIEW geschriebene MCP ist in Abbildung 6dargestellt.
   6. Überprüfen Sie den Betriebszustand des Zündkerzens und führen Sie einen Ventiltest durch.
   7. Testdatenaufzeichnungsfunktion.
   8. Öffnen Sie die Einstellschnittstelle und stellen Sie die Testzeit ein, einschließlich Ventilöffnungs- und -schließzeit, Zündzeit und Datenaufzeichnungsdauer.
      HINWEIS: Es dauert einige Zeit, bis der Massenstromregler den Oxidationsfluss auf den eingestellten Wert reguliert, so dass die Zündzeit nach der Lieferung von Oxidationsmittel auf 2 s eingestellt wurde.
   9. Stellen Sie Sicherheitsanforderungen und klares Personal aus dem Versuchsgebiet.
   10. Öffnen Sie das Zylinderventil und stellen Sie den Ausgangsdruck des Regelventils entsprechend den unterschiedlichen Massendurchflussbedingungen ein.
       HINWEIS: Bei einem Versorgungsdruck von 6MPa liegt der Massendurchflussbereich des Oxidationsmittels zwischen 7 g/s und 29 g/s.
   11. Öffnen Sie die Einstellungsschnittstelle und legen Sie die Oxidator-Massendurchflussrate fest.
4. Hybrid-Raketenmotorzündung
   1. Schalten Sie die Kamera ein.
   2. Stellen Sie den MCP auf den automatischen Steuermodus ein und warten Sie auf den Trigger.
   3. Klicken Sie auf MCP starten, um das Experiment zu starten.
   4. Klicken Sie nach etwa einer Minute auf Beenden des MCP, und schalten Sie die Kamera aus.
   5. Schließen Sie die Gasflasche und öffnen Sie das Ventil in der Rohrleitung, um den Druck zu entlasten.
   6. Schalten Sie den Prüfstand aus und entfernen Sie das Kraftstoffkorn.
   7. Wiederholen Sie Schritt 1.1.4.

2. Analyse der Verbrennungsleistung

1. Analyse der Druckschwingung
   HINWEIS: Die gespeicherten Brennkammerdruckdaten werden als P_c(t) dargestellt.
   1. Öffnen Sie P_c(t) mit der Datenverarbeitungssoftware.
   2. Wählen Sie den Zeitraum während des Verbrennungsprozesses des Hybridraketenmotors aus.
   3. Wählen Sie Analyse > Signalverarbeitung > FFT, um die Druckschwingung zu analysieren.
   4. Verwenden Sie die Standardeinstellungen, und klicken Sie auf OK.
2. Analyse der Regressionsrate
   1. Berechnen Sie die Regressionsrate des Brennstoffkorns nach der folgenden Funktion:
      
      wobeiD die Veränderung der durchschnittlichen Innendurchmesser des Festbrennstoffkorns nach der Brennprüfung darstellt; die Änderung der Qualität des Brennkorns darstellen; L ist die Länge des Brennstoffkorns; ist die durchschnittliche Dichte des festen Brennstoffs; t ist die Arbeitszeit.
      ANMERKUNG: Die durchschnittliche Dichte des neuartigen Korns wurde wie:
      
      wobei und stellen die Dichte des verschachtelten Paraffin-basierten Brennstoffs bzw. ABS-Materials dar; und stellen den Massenanteil des verschachtelten Paraffin-basierten Brennstoffs bzw. ABS-Materials dar.
   2. Passen Sie die Regressionsrate als Funktion des Oxidationsmittelflusses an.
      HINWEIS: Die Anpassungsfunktion wurde als Allometric1 ausgewählt, und der iterative Algorithmus wurde als Levenberg-Marquardt-Optimierungsalgorithmus ausgewählt.
3. Analyse der Verbrennungseffizienz
   1. Berechnen Sie den durchschnittlichen Brennkammerdruck P_c anhand der folgenden Funktion:
      
      wobei P_c(t) den Brennkammerdruck zu unterschiedlichen Zeiten darstellt; t₁ und t_n stellen die Anfangs- und Endzeiten dar, in denen der Brennkammerdruck mehr als 50 % des Durchschnittlichen Drucks betrug; n stellt die Anzahl der Druckdatenpunkte zwischen und t₁ und t_ndar.
   2. Berechnen Sie die Verbrennungskenngeschwindigkeit C nach folgender Funktion:
      
      wobei P_c der durchschnittliche Brennkammerdruck ist; A_t ist der Halsbereich; ḿ ist die Gesamtmassendurchflussrate.
   3. Berechnen Sie die theoretische charakteristische Geschwindigkeit des Paraffinbrennstoffs _C-P durch den NASA CEA-Code³³.

Results

Abbildung 7 zeigt die Veränderungen des Brennkammerdrucks und der Oxidatormassendurchflussrate. Um die notwendige Zeit für die Strömungsregelung zu schaffen, gelangt der Oxidationsmittel im Voraus in den Brennraum. Wenn der Motor Druck im Brennraum aufbaut, sinkt die Sauerstoffmassendurchflussrate schnell und behält dann eine relativ stetige Veränderung bei. Während des Verbrennungsprozesses bleibt der Druck im Brennraum relativ stabil.

Bilder, die einen Vergleich...

Discussion

Die in diesem Papier vorgestellte Technik ist ein neuartiger Ansatz, bei dem ein Brennstoffkorn mit einer verschachtelten Spiralstruktur verwendet wird. Es gibt keine Schwierigkeiten bei der Einrichtung der erforderlichen Ausrüstung und Einrichtungen. Die Spiralstruktur kann leicht durch 3D-Druck hergestellt werden, und die Verschachtelung von Paraffin-basierten Brennstoffen kann leicht durch Zentrifugalguss durchgeführt werden. FDM-3D-Drucker (Fused Deposition Forming) sind nicht teuer und die Kosten für Zentrifugen sin...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
3D-Drucker	Raise3D	N2 Plus	305 & mal 305 & mal 605 mm
3D Zeichensoftware	Autodesk	Inventor
	ABS Raise3D	ABS schwarz	1,75 mm
Kamera	Sony	A6000
Carbon	Aibeisi	ATP-88AT
Zentrifugalmaschine	Luqiao Langbo Motor Co.Ltd	Custom	≤ 1450 U/min
Datenverarbeitungssoftware	OriginLab	Origin 2020
EVA	DuPont Company	360	Binder
Massendurchflussregler	Bronkhost	F-203AV	0-1500 ln/min
Schmelzemischer	Winzhou Chengyi Jixie Co.Ltd	Custom
Multifunktions-Datenerfassungskarte	NI	USB-6211
Paraffin	Sinopec Group Company	58#	Vollständig raffiniertes Paraffin, Schmelzpunkt≈ 58°; C
PE Wachs	Katar Erdöl chemische Industrie Unternehmen	Custom
Slicing Software	Raise3D	ideaMaker
Zündkerze	NGK	PFR7S8EG
Stearinsäure	ical Reagenz Unternehmen	Kundenspezifischer	Härter