Mejorar el rendimiento de combustión de un motor de cohete híbrido utilizando un nuevo grano de combustible con una estructura helicoidal anidada

Summary

Se presenta una técnica que utiliza un grano de combustible sólido con una novedosa estructura helicoidal anidada para mejorar el rendimiento de combustión de un motor cohete híbrido.

Abstract

Se presenta una técnica para mejorar el rendimiento de combustión de un motor cohete híbrido utilizando una nueva estructura de grano de combustible. Esta técnica utiliza las diferentes tasas de regresión de los combustibles a base de acrilonitrilo butadieno y parafina, que aumentan los intercambios de materia y energía mediante zonas de flujo de remolino y recirculación formadas en las ranuras entre las paletas adyacentes. La técnica de fundición centrífuga se utiliza para fundir el combustible a base de parafina en un sustrato de estireno de acrilonitrilo butadieno hecho por impresión tridimensional. Utilizando el oxígeno como oxidante, se llevaron a cabo una serie de pruebas para investigar el rendimiento de combustión del nuevo grano de combustible. En comparación con los granos de combustible a base de parafina, el grano de combustible con una estructura helicoidal anidada, que se puede mantener durante todo el proceso de combustión, mostró una mejora significativa en la tasa de regresión y un gran potencial en la mejora de la eficiencia de combustión.

Introduction

Se requiere urgentemente una técnica para mejorar el rendimiento de combustión de un motor de cohete híbrido. Hasta la fecha, las aplicaciones prácticas de los motores de cohetes híbridos son todavía mucho menores que las de los motores de cohetes sólidos y líquidos^1,2. La baja tasa de regresión de los combustibles tradicionales limita la mejora del rendimiento del empuje para el motor de cohete híbrido^3,4. Además, su eficiencia de combustión es ligeramente inferior a la de otros cohetes de energía química debido a la combustión de difusión interna^5,como se muestra en la Figura 1. Aunque se han estudiado y desarrollado diversas técnicas, como el uso de múltiples puertos⁶, mejora de aditivos^7,8,9, combustible licuado^10,11,12, inyección de remolino¹³, protuberancias¹⁴, y cuerpo de farol¹⁵, estos enfoques están asociados con problemas en la utilización del volumen, eficiencia de combustión, rendimiento mecánico, y calidad de redundancia. Hasta ahora, la mejora estructural del grano de combustible, que no tiene estas deficiencias, ha atraído más atención como medio eficaz de mejorar el rendimiento de combustión^16,17. El advenimiento de la impresión tridimensional (3D) ha sido una forma eficaz de aumentar el rendimiento de los motores de cohetes híbridos a través de la capacidad de producir de forma rápida y económica diseños de granos convencionales complejos o granos de combustible no convencionales^{18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30}. Sin embargo, durante el proceso de combustión, estas mejoras en el rendimiento de combustión disminuyen con la quema de la estructura característica, lo que resulta en una disminución en el rendimiento de combustión²³. Hemos demostrado que un diseño novedoso es útil para mejorar el rendimiento de los motores de cohetes híbridos³¹. El detalle de esta técnica y los resultados representativos se presentan en este documento.

El grano de combustible consiste en un sustrato helicoidal hecho por acrilonitrilo-butadieno-estireno (ABS) y un combustible anidado a base de parafina. Basado en la impresión centrífuga y 3D, se combinaron las ventajas de los dos combustibles con diferentes tasas de regresión. La estructura helicoidal especial del grano de combustible después de la combustión se muestra en la Figura 2. Cuando el gas pasa a través del grano de combustible, se crean simultáneamente numerosas zonas de recirculación en ranuras entre cuchillas, que se muestra en la Figura 3. Esta estructura característica en la superficie interior aumenta la energía cinética de turbulencia y el número de remolinos en la cámara de combustión, que aumentan los intercambios de materia y energía en la cámara de combustión. En última instancia, la tasa de regresión del nuevo grano de combustible se mejora efectivamente. El efecto de mejorar la tasa de regresión ha sido bien demostrado: en particular, se demostró que la tasa de regresión del nuevo grano de combustible era un 20% superior a la del combustible a base de parafina en el flujo de masa de 4^{g/s-cm 2,32}.

Una ventaja del grano de combustible con una estructura helicoidal anidada es que es fácil de fabricar. El proceso de moldeo requiere principalmente un mezclador de fusión, una centrífuga y una impresora 3D. El sustrato ABS formado por la impresión 3D reduce en gran medida el costo de fabricación. Otra ventaja significativa y única es que el efecto de mejora no desaparece durante el proceso de combustión.

Este documento presenta el sistema experimental y el procedimiento para mejorar el rendimiento de combustión de un motor de cohete híbrido utilizando la nueva estructura de grano de combustible. Además, este documento presenta tres comparaciones representativas de los parámetros de rendimiento de combustión para demostrar la viabilidad de la técnica, incluida la frecuencia de oscilación de la presión de la cámara de combustión, la tasa de regresión y la eficiencia de combustión caracterizada por la velocidad característica.

Protocol

1. Configuración y procedimientos experimentales

1. Preparación del grano de combustible
   NOTA: El grano de combustible con estructura novedosa constaba de dos partes, que se muestran en la Figura 4. Como la parte principal del grano novedoso, el combustible a base de parafina representa más del 80% de la masa total. El sustrato ABS se utiliza como combustible adicional. La preparación de este grano de combustible se realizó mediante la combinación de impresión 3D y fundición centrífuga.
   1. Preparación del sustrato
      1. Abra el software 3D para el dibujo de sustrato ABS.
         NOTA: El sustrato ABS, que pretendía proporcionar el marco helicoidal y el soporte para el combustible a base de parafina, se compone de doce cuchillas integradas que giran 360o en el sentido de las agujas del reloj en la dirección axial y en la pared.
      2. Guarde la estructura 3D del sustrato ABS como un archivo STL.
      3. Abra el software de corte 3D e importe la estructura del sustrato ABS.
      4. Haga clic en Iniciar cortey seleccione Modo de impresión de velocidad en Plantilla principal.
         NOTA: Para el extrusor primario, elija ABS 1,75 mm.
      5. Haga doble clic en Velocidad, cambie la densidad de relleno a 100% y seleccione Balsa con falda para la adición de plataforma.
         NOTA: Para mejorar la calidad de impresión y evitar la deformación, es necesario utilizar una estructura de base de impresión (Balsa con falda) para aumentar el área de contacto entre el cuerpo de impresión y la placa inferior.
      6. Haga clic en Guardar y cerrary, a continuación, haga clic en Sector.
      7. Encienda la impresora 3D e importe el archivo de sector de sustrato ABS.
      8. Ajuste la temperatura de la cama calentada y la boquilla a 100 y 240 oC, respectivamente.
      9. Haga clic en Iniciar para imprimir después de la estabilización.
   2. Preparación de combustible a base de parafina
      1. Preparar materias primas de parafina, cera de polietileno (PE), ácido esteárico, acetato de etileno-vinilo (EVA) y polvo de carbono. Configure el combustible basado en parafina según la proporción de estos componentes como 0.58:0.2:0.1:0.1:0.02.
         NOTA: La información específica de cada materia prima se muestra en la tabla de materiales. La relación de distribución del combustible a base de parafina no es fija y se puede ajustar adecuadamente de acuerdo con el propósito del experimento. El propósito de agregar polvo de carbono es bloquear la transferencia de calor radiante y evitar que el grano de combustible se ablande y se derrumbe durante la combustión.
      2. Coloque las materias primas configuradas en el mezclador de fusión, y derrita y revuelva completamente hasta que se mezclen por completo.
         NOTA: El combustible a base de parafina se calienta a 120 oC para garantizar un derretimiento completo y evitar la deformación de las cuchillas ABS.
   3. Fabricación de granos de combustible
      NOTA: Para demostrar mejor el efecto de mejorar el rendimiento de combustión, se establecieron granos de combustible a base de parafina con la misma composición que el control.
      1. Coloque el sustrato ABS en la centrífuga y fíjelo con una tapa final.
      2. Enchufe la alimentación y encienda el interruptor de la bomba de refrigeración por agua.
      3. Encienda el relé de centrífuga y aumente la velocidad a 1400 rpm.
      4. Abra la válvula en el mezclador de fusión y comience a fundar.
         NOTA: El combustible fundido a base de parafina fluye hacia la sección inicial del molde a través de la tubería y la cubierta final con una abertura central. Bajo el efecto de gravedad, el combustible líquido se extiende a lo largo de la dirección axial del molde. En combinación con una refrigeración eficaz, se requiere un método de fundición múltiple, que consiste en dividir el proceso de llenado único original en varias veces, para reducir la tensión térmica.
      5. Retire el grano de combustible y recorte la forma.
   4. Medición y registro de granos de combustible
      1. Mida y registre el peso, la longitud y el diámetro interior del grano de combustible.
      2. Fotografía el grano de combustible completo.
2. Preparación del sistema híbrido de motores de cohetes
   NOTA: Como se muestra en la Figura 5,el sistema híbrido del motor de cohetes constaba de cuatro partes: el sistema de suministro, el sistema de encendido, el motor y el sistema de medición y control. La parte del motor incluía cinco partes: el encendido de la antorcha, la cabeza, la cámara de combustión, la cámara posterior a la combustión y la boquilla. La longitud total del motor de cohete híbrido es de unos 300 mm, y el diámetro interior de la cámara de combustión es de 70 mm.
   1. Ensamblaje híbrido del motor de cohetes
      NOTA: Los detalles exhaustivos del cohete híbrido a escala de laboratorio y la composición del sistema experimental se pueden encontrar en el documento anterior³².
      1. Fije la sección de la cámara de combustión del motor de cohete híbrido en el riel deslizante.
      2. Cargue el grano de combustible e instale la sección de la cámara posterior a la combustión.
      3. Instale la cabeza y la boquilla.
      4. Instale el encendido de la antorcha en la cabeza del motor de cohete híbrido.
      5. Instale la bujía y conecte la fuente de alimentación.
   2. Conecte las líneas de suministro de nitrógeno, oxidante, metano de ignición y gas de oxígeno de encendido entre el banco de pruebas y el cilindro de gas.
   3. Conecte el ordenador industrial, la tarjeta de adquisición de datos multifunción, el controlador de flujo de masa y la caja de control del banco de pruebas.
   4. Encienda el banco de pruebas, el controlador de flujo de masa y el encendedor.
3. Compruebe el sistema de prueba y establezca las condiciones experimentales.
   1. Abra el software FlowDDE y haga clic en Configuración de comunicaciones en Comunicación.
   2. Haga clic en la interfaz de conexión correspondiente y haga clic en Aceptar.
   3. Haga clic en Abrir comunicación para establecer la comunicación con el controlador de flujo y abrir el programa de medición y control (MCP).
   4. Establezca el canal de E/S de la tarjeta de adquisición de datos multifunción y haga clic en Ejecutar para establecer la comunicación con todo el sistema.
   5. Compruebe el estado de ejecución de MCP y establezca el modo de control manual.
      NOTA: El MCP incluye dos modos: el control manual se utiliza para la depuración y el control automático se utiliza durante los experimentos. El MCP escrito por LabVIEW se muestra en la Figura 6.
   6. Compruebe el estado de funcionamiento de la bujía y realice una prueba de válvula.
   7. Función de grabación de datos de prueba.
   8. Abra la interfaz de ajuste y establezca la hora de prueba, incluida la hora de apertura y cierre de la válvula, el tiempo de encendido y la duración de la grabación de datos.
      NOTA: El controlador de flujo de masa tarda algún tiempo en regular el flujo del oxidante al valor establecido, por lo que el tiempo de encendido se estableció en 2 s después del suministro de oxidante.
   9. Establezca los requisitos de seguridad y despeje al personal del área experimental.
   10. Abra la válvula del cilindro y ajuste la presión de salida de la válvula reguladora de acuerdo con las diferentes condiciones de caudal de masa.
       NOTA: Con la presión de suministro de 6MPa, el rango de caudal de masa del oxidante está entre 7 g/s y 29 g/s.
   11. Abra la interfaz de configuración y establezca el caudal de masa del oxidante.
4. Encendido híbrido del motor de cohetes
   1. Encienda la cámara.
   2. Establezca el MCP en modo de control automático y espere el disparador.
   3. Haga clic en Inicio en el MCP para iniciar el experimento.
   4. Después de aproximadamente un minuto, haga clic en Detener en el MCP y apague la cámara.
   5. Cierre el cilindro de gas y abra la válvula en la tubería para aliviar la presión.
   6. Apague el banco de pruebas y retire el grano de combustible.
   7. Repita el paso 1.1.4.

2. Análisis del rendimiento de la combustión

1. Análisis de la oscilación de presión
   NOTA: Los datos de presión de la cámara de combustión guardados se representan como P_c(t).
   1. Abra P_c(t) con el software de procesamiento de datos.
   2. Elija el período de tiempo durante el proceso de combustión del motor de cohete híbrido.
   3. Seleccione Análisis > Procesamiento de señal > FFT para analizar la oscilación de presión.
   4. Utilice la configuración predeterminada y haga clic en Aceptar.
2. Análisis de la tasa de regresión
   1. Calcule la tasa de regresión del grano de combustible de acuerdo con la siguiente función:
      
      dondeD representan el cambio de diámetros internos promedio del grano de combustible sólido después de la prueba de cocción; representan el cambio de calidad del grano de combustible; L es la longitud del grano de combustible; es la densidad media del combustible sólido; t es el tiempo de trabajo.
      NOTA: La densidad media del grano nuevo se expresó como:
      
      donde y representan la densidad del combustible anidado a base de parafina y el material ABS, respectivamente; y representan la fracción de masa del combustible anidado a base de parafina y el material ABS, respectivamente.
   2. Ajuste la velocidad de regresión en función del flujo de oxidante.
      NOTA: La función de ajuste se seleccionó como Allometric1 y el algoritmo iterativo se seleccionó como algoritmo de optimización Levenberg–Marquardt.
3. Análisis de la eficiencia de combustión
   1. Calcule la presión media de la cámara de combustión P_c mediante la siguiente función:
      
      donde P_c(t) representa la presión de la cámara de combustión en diferentes momentos; t₁ y t_n representan los tiempos inicial y final en los que la presión de la cámara de combustión fue superior al 50% de la presión media, respectivamente; n representa el número de puntos de datos de presión entre y t₁ y t_n.
   2. Calcular la velocidad característica de combustión C⃰ de acuerdo con la siguiente función:
      
      donde P_c es la presión media de la cámara de combustión; Una_t es el área de la garganta; ḿ es el caudal de masa total.
   3. Calcular la velocidad característica teórica del combustible de parafina C⃰_P por el código^{33 de}la CEA de la NASA.

Results

La Figura 7 muestra los cambios en la presión de la cámara de combustión y el caudal de masa del oxidante. Para proporcionar el tiempo necesario para la regulación del flujo, el oxidante entra en la cámara de combustión de antemano. Cuando el motor aumenta la presión en la cámara de combustión, el caudal de masa de oxígeno disminuye rápidamente y luego mantiene un cambio relativamente constante. Durante el proceso de combustión, la presión en la cámara de combustión permanece relativamente e...

Discussion

La técnica presentada en este artículo es un enfoque novedoso utilizando un grano de combustible con una estructura helicoidal anidada. No hay dificultades para establecer el equipo y las instalaciones necesarias. La estructura helicoidal se puede producir fácilmente mediante la impresión 3D, y la anidación de combustibles a base de parafina se puede llevar a cabo fácilmente mediante la fundición centrífuga. Las impresoras 3D de moldeo por deposición fundida (FDM) no son costosas y el costo de las centrífugas es bajo.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Impresora 3D	Raise3D	N2 Plus	305 &veces; 305 &veces; 605 mm
Software de dibujo 3D	Autodesk	Inventor
ABS	Raise3D	ABS negro	1,75 mm
Cámara	Sony	A6000
Carbono	Aibeisi	ATP-88AT
Máquina centrífuga	Luqiao Langbo Motor Co.Ltd	Personalizado	≤ 1450 rpm
Software de procesamiento de datos	OriginLab	Origin 2020
EVA	DuPont Company	360	binder
Controlador de flujo másico	Bronkhost	F-203AV	0-1500 ln/min
Mezclador de fusión	Winzhou Chengyi Jixie Co.Ltd	datos multifunción personalizada
	NI	USB-6211
Parafina	Sinopec Group Company	58#	Parafina totalmente refinada, punto de fusión≈ 58 y grados; C
Cera de PE	Qatar industria química del petróleo Empresa	Software
	Raise3D	ideaMaker
Bujía	NGK	PFR7S8EG
ácido esteárico	ical Reactivo Empresa		Endurecedor