שיפור ביצועי הבעירה של מנוע רקטות היברידי באמצעות דגן דלק חדשני עם מבנה הליקל מקוננים

Summary

טכניקה תוך שימוש בתבואת דלק מוצקה עם מבנה הליקל מקוננים חדשני כדי לשפר את ביצועי הבעירה של מנוע רקטות היברידי מוצג.

Abstract

טכניקה לשיפור ביצועי הבעירה של מנוע רקטות היברידי באמצעות מבנה תבואה דלק חדשני מוצג. טכניקה זו מנצלת את שיעורי הרגרסיה השונים של אקרילוניטריל סטירן ודלקים מבוססי פרפין, אשר מגבירים את חילופי החומר והאנרגיה על ידי זרימת מערבולת ואזורי recirculation שנוצרו חריצים בין vanes הסמוכים. טכניקת הליהוק הצנטריפוגלי משמש כדי להשליך את הדלק מבוסס פרפין לתוך תכלת סטירן אסטרילוניטריל שנעשו על ידי הדפסה תלת ממדית. באמצעות חמצן כחמצון, נערכו סדרה של בדיקות כדי לחקור את ביצועי הבעירה של תבואת הדלק הרומן. בהשוואה גרגרי דלק מבוססי פרפין, גרגר הדלק עם מבנה הליקל מקוננים, אשר ניתן לשמור לאורך כל תהליך הבעירה, הראה שיפור משמעותי בקצב רגרסיה ופוטנציאל גדול לשיפור יעילות בעירה.

Introduction

טכניקה לשיפור ביצועי הבעירה של מנוע רקטות היברידי נדרשת בדחיפות. עד כה, יישומים מעשיים של מנועי רקטות היברידיים הם עדיין הרבה פחות מאלה של מנועי רקטות מוצק^{ונוזלי 1,2}. קצב הרגרסיה הנמוך של דלקים מסורתיים מגביל את שיפור ביצועי הדחף עבור מנוע הרקטות^{ההיברידי 3,4}. בנוסף, יעילות הבעירה שלה נמוכה במקצת מזה של רקטות אנרגיה כימית אחרות^{בשל בעירה פנימית 5}, כפי שמוצג באות 1. למרות טכניקות שונות נחקרו ופיתחו, כגון השימוש ביציאות^{מרובות 6}, שיפור^{תוספים 7,8,9}, דלק נוזלי 10^,11,12,^{הזרקת מערבולת 13},^{בלוטות 14}, וגוף^{בלוף 15}, גישות אלה קשורות לבעיות בניצול נפח, יעילות בעירה, ביצועים מכניים, ואיכות יתירות. עד כה, שיפור מבני של תבואת הדלק, אשר אין חסרונות אלה, משך יותר תשומת לב כאמצעי יעיל לשיפור ביצועי בעירה^16,17. הופעתה של הדפסה תלת מימדית (תלת-ממדית) הביאה לדרך יעילה להגביר את הביצועים של מנועי רקטות היברידיים באמצעות היכולת לייצר במהירות ובצול גם עיצובי תבואה קונבנציונליים מורכבים או גרגרי דלק לא^{קונבנציונליים 18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30}. עם זאת, במהלך תהליך הבעירה, שיפורים אלה בביצועי בעירה פוחתת עם שריפת המבנה האופייני, וכתוצאה מכך ירידה בביצועי^{בעירה 23}. הוכחנו כי עיצוב חדשני שימושי בשיפור הביצועים של מנועי רקטות היברידיים^31. הפירוט עבור טכניקה זו ותוצאות מייצגות מוצג בנייר זה.

תבואת הדלק מורכבת ממצע הליקלי מבעלות אקרילוניטריל-תות-סטירן (ABS) ודלק מקונן המבוסס על פרפין. בהתבסס על הדפסה צנטריפוגלית ותלת-ממדית, היתרונות של שני הדלקים עם שיעורי רגרסיה שונים שולבו. המבנה ההליקלי המיוחד של תבואת הדלק לאחר הבעירה מוצג בדמות 2. כאשר גז עובר דרך תבואת הדלק, אזורי תפוצה רבים נוצרים בו זמנית בגרובים בין להבים, המוצג באות 3. מבנה אופייני זה על פני השטח הפנימי מגביר את מערבולת אנרגיה קינטית ומספר מערבולת בתא הבעירה, אשר להגדיל את חילופי החומר והאנרגיה בתא הבעירה. בסופו של דבר, קצב הרגרסיה של תבואת הדלק הרומן משתפר ביעילות. ההשפעה של שיפור קצב הרגרסיה הוכחה היטב: בפרט, שיעור הרגרסיה של תבואת הדלק הרומן הוכח להיות 20% גבוה יותר מזה של דלק מבוסס פרפין בשטף המסה של 4 g/s·cm^2,32.

אחד היתרונות של תבואת הדלק עם מבנה הליקל מקוננים הוא שזה פשוט לייצר. תהליך היצוק דורש בעיקר מערבל נמס, צנטריפוגה ומדפסת תלת-ממד. מצע ABS שנוצר על ידי הדפסה בתלת-ממד מפחית מאוד את עלות הייצור. יתרון משמעותי וייחודי נוסף הוא שאפקט השיפור אינו נעלם במהלך תהליך הבעירה.

נייר זה מציג את המערכת הניסיונית ואת ההליך לשיפור ביצועי הבעירה של מנוע רקטות היברידי באמצעות מבנה התבואה דלק הרומן. בנוסף, מאמר זה מציג שלוש השוואות מייצגות של פרמטרים של ביצועי בעירה כדי להוכיח את היתכנות הטכניקה, כולל תדירות תנודות של לחץ תא בעירה, קצב רגרסיה, ויעילות בעירה המאופיינת במהירות אופיינית.

Protocol

1. התקנה ניסיונית והליכים

1. הכנת תבואת דלק
   הערה: גרגר הדלק עם מבנה חדשני מורכב משני חלקים, המוצגים באות 4. כחלק העיקרי של התבואה הרומן, דלק מבוסס פרפין מהווה יותר מ 80% של המסה הכוללת. ה-ABS משמש כדלק נוסף. הכנת תבואת דלק זו התממשה על ידי שילוב של הדפסה בתלת-ממד ויציקה צנטריפוגלית.
   1. הכנת שקוע
      1. פתח תוכנת תלת-מיוד לציור של קבלנות ABS.
         הערה: ה-ABS, שנועד לספק את המסגרת ההליקית והתמיכה בדלק המבוסס על פרפין, מורכב מ-12 להבים משולבים המסתובבים בכיוון השעון בכיוון הצוק והקיר.
      2. שמור את המבנה תלת-מיוער של ה-ABS כקובץ STL.
      3. פתח את תוכנת החיתוך תלת-מיוער וייבוא המבנה של סאבומת ABS.
      4. לחץ על התחל חיתוךובחר דרג מצב הדפסה מהתבנית הראשית.
         הערה: עבור Extruder הראשי לבחור ABS 1.75 מ"מ.
      5. לחץ פעמיים על מהירות, שנה את צפיפות המי מילוי ל- 100% ובחר רפסודה עם חצאית לתוספת פלטפורמה.
         הערה: על מנת לשפר את איכות ההדפסה ולמנוע עיהום, יש להשתמש במבנה של בסיס הדפסה (רפסודה עם חצאית) כדי להגדיל את אזור המגע בין גוף ההדפסה לצלחת התחתונה.
      6. לחץ על שמור וסגורולאחר מכן לחץ על פרוסה.
      7. הפעל את מדפסת תלת-ממד וייבוא קובץ פרוסת ה-ABS.
      8. הגדר את הטמפרטורה של המיטה המחוממת ואת זרבובית ל 100 ו 240 מעלות צלזיוס, בהתאמה.
      9. לחץ על התחל כדי להדפיס לאחר ייצוב.
   2. הכנת דלק מבוססת פרפין
      1. להכין חומרי גלם של פרפין, פוליאתילן (PE) שעווה, חומצה סטרית, אתילן-ויניל אצטט (EVA), ואבקת פחמן. קבע את תצורת הדלק מבוסס פרפין בהתאם ליחס של רכיבים אלה כ- 0.58:0.2:0.1:0.1:0.02.
         הערה: המידע הספציפי של כל חומר גלם מוצג בטבלת החומרים. יחס ההפצה של דלק מבוסס פרפין אינו קבוע וניתן להתאים אותו כראוי בהתאם למטרת הניסוי. המטרה של הוספת אבקת פחמן היא לחסום העברת חום קורנת ולמנוע מתבואת הדלק לרכך ולקרות במהלך הבעירה.
      2. מניחים את חומרי הגלם המוגדרים במיקסר המסה, וממיסים ומערבבים עד לקבלת תערובת מלאה.
         הערה: הדלק מבוסס פרפין מחומם ל-120°C כדי להבטיח התכה מלאה תוך מניעת עיוות של להבי ABS.
   3. ייצור תבואת דלק
      הערה: כדי להדגים טוב יותר את ההשפעה של שיפור ביצועי הבעירה, גרגרי דלק מבוססי פרפין עם הרכב זהה הוגבעו כמו הפקד.
      1. הנח את ה-ABS בלמקם את הצנטריפוגה, ואבטח אותה עם מכסה קצה.
      2. חבר את החשמל והפעיל את מתג משאבת קירור המים.
      3. הפעל את ממסר הצנטריפוגה והגביר את המהירות ל-1,400 סל"ד.
      4. פתח את השסתום על מערבל ההמסה והתחיל בליהוק.
         הערה: הדלק על בסיס פרפין מותך זורם לתוך החלק הראשוני של עובש דרך הצינור ואת כיסוי הקצה עם פתח מרכזי. תחת השפעת הכבידה, הדלק הנוזלי מתפשט לאורך הכיוון הקסי של התבנית. בשילוב עם קירור יעיל, נדרשת שיטת יציקה מרובה, שתחלק את תהליך המילוי המקורי חד-פעמיים לפעמים רבות, כדי להפחית את הלחץ התרמי.
      5. הסר את תבואת הדלק ותקצץ את הצורה.
   4. מדידה והקלטה של תבואת דלק
      1. למדוד ולתרגם את המשקל, האורך, ואת הקוטר הפנימי של תבואת הדלק.
      2. צלם את תבואת הדלק המלאה.
2. הכנת מערכת מנוע רקטות היברידית
   הערה: כפי שמצג באות 5, מערכת מנוע הרקטות ההיברידית כללה ארבעה חלקים: מערכת האספקה, מערכת ההצתה, המנוע ומערכת המדידה והשליטה. חלק המנוע כלל חמישה חלקים: מצת הלפיד, הראש, תא הבעירה, תא הבעירה והזרבובית. האורך הכולל של מנוע הרקטות ההיברידי הוא כ-300 מ"מ, וקוטרו הפנימי של תא הבעירה הוא 70 מ"מ.
   1. הרכבה היברידית של מנוע רקטות
      הערה: הפרטים הממצה של הרקטה ההיברידית בקנה מידה מעבדה ואת הרכב המערכת הניסיונית ניתן למצוא בנייר^{הקודם 32.}
      1. לתקן את קטע תא הבעירה של מנוע רקטות היברידי על מעקה השקופית.
      2. טען את תבואת הדלק והתקן את המקטע שלאחר הבעירה.
      3. תתקין את הראש והתנועע.
      4. להתקין את המצת לפיד על הראש של מנוע הרקטות היברידי.
      5. התקן את המצת וחבר את ספק הכוח.
   2. חבר את החנקן, החמצון, מתאן ההצתה, והצתה של קווי אספקת גז חמצן בין ספסל הבדיקה לגליל הגז.
   3. חבר את המחשב התעשייתי, את כרטיס רכישת הנתונים הרב-תכליתי, את בקר זרימת המסה ואת תיבת הבקרה של ספסל הבדיקה.
   4. כוח על ספסל הבדיקה, בקר זרימת המסה, וההצתה.
3. בדוק את מערכת הבדיקה והגדר את התנאים הניסיוניים.
   1. פתח את תוכנת FlowDDE ולחץ על הגדרות תקשורת מתוך התקשורת.
   2. לחץ על ממשק החיבור המתאים ולחץ על אישור.
   3. לחץ על פתח תקשורת כדי ליצור תקשורת עם בקר הזרימה ולפתוח את תוכנית המדידה והבקרה (MCP).
   4. הגדר את ערוץ I/O של כרטיס רכישת הנתונים הרב-תכליתי ולחץ על הפעל כדי ליצור תקשורת עם המערכת כולה.
   5. בדוק את מצב הריצה של MCP והגדר למצב בקרה ידנית.
      הערה: MCP כולל שני מצבים: פקד ידני משמש לאיתר באגים ונעשה שימוש בבקרה אוטומטית במהלך ניסויים. MCP שנכתב על ידי LabVIEW מוצג באות 6.
   6. בדוק את מצב העבודה של המצת ובצע בדיקת שסתום.
   7. בדוק פונקציית הקלטת נתונים.
   8. פתח את ממשק ההגדרה והגדר את זמן הבדיקה, כולל שעת פתיחה וסגירה של שסתומים, זמן הצתה ומשך רישום נתונים.
      הערה: זה לוקח קצת זמן עבור בקר זרימת המסה לווסת את זרימת חמצון לערך להגדיר, כך זמן ההצתה הוגדר 2 s לאחר אספקת חמצון.
   9. קבע דרישות בטיחות ופינה כוח אדם מהאזור הניסיוני.
   10. פתח את שסתום הצילינדר והתאם את לחץ הפלט של השסתום המסדיר בהתאם לתנאי קצב זרימת המסה השונים.
       הערה: עם לחץ האספקה של 6MPa, טווח זרימת המסה של חמצון הוא בין 7 g/s ו 29 g/s.
   11. פתח את ממשק ההגדרה והגדר את קצב זרימת המסה של חמצון.
4. הצתה היברידית של מנוע רקטות
   1. תדליק את המצלמה.
   2. הגדר את ה- MCP למצב בקרה אוטומטית והמתן לגורם מפעיל.
   3. לחץ על התחל ב- MCP כדי להתחיל בניסוי.
   4. לאחר כדקה, לחץ על עצור ב- MCP וכבה את המצלמה.
   5. סגור את צילינדר הגז ופתח את השסתום בצינור כדי להקל על הלחץ.
   6. נתק את ספסל הבדיקה והסר את תא הדלק.
   7. חזור על שלב 1.1.4.

2. ניתוח ביצועי בעירה

1. ניתוח תנודות לחץ
   הערה: נתוני לחץ תא הבעירה השמור מיוצגים כ- P_c(t).
   1. פתח את P_c(t) עם תוכנת עיבוד הנתונים.
   2. בחר את פרק הזמן במהלך תהליך הבעירה של מנוע הרקטות ההיברידי.
   3. בחר ניתוח > עיבוד אותות > FFT כדי לנתח את תנודות הלחץ.
   4. השתמש בהגדרות ברירת המחדל ולחץ על אישור.
2. ניתוח קצב רגרסיה
   1. חשב את קצב הרגרסיה של תבואת הדלק בהתאם לפונקציה הבאה:
      
      כאשר ThD מייצג את השינוי בקוטרים הפנימיים הממוצעים של תבואת הדלק המוצקה לאחר בדיקת הירי; מייצגים את שינוי איכות תבואת הדלק; L הוא האורך של תבואת הדלק; ι היא הצפיפות הממוצעת של דלק מוצק; זה זמן העבודה.
      הערה: הצפיפות הממוצעת של התבואה הרומן באה לידי ביטוי כמו:
      
      כאשר הם מייצגים את הצפיפות של החומר הקינון המבוסס על פרפין וחומר ABS, בהתאמה;
   2. להתאים את קצב הרגרסיה כפונקציה של שטף חמצון.
      הערה: פונקציית ההתאמה נבחרה כ-Allometric1 , והאלגוריתם איטרטיבי נבחר כלגוריתם אופטימיזציה של לבנברג-מרקווארדט.
3. ניתוח יעילות בעירה
   1. חשב לחץ ממוצע של תא בעירה P_{c לפי} הפונקציה הבאה:
      
      כאשר P_c(t)מייצג את לחץ חדר הבעירה בזמנים שונים; t₁ ו-t_{מייצגים} את הפעמים הראשוניות והאחרונות שבהן הלחץ בתא הבעירה היה גדול מ-50% מהלחץ הממוצע, בהתאמה; מייצג את מספר נקודות נתוני הלחץ בין 0 ל-_{t 1} ו- t_n.
   2. חשב את מהירות הבעירה האופיינית C⃰ בהתאם לפונקציה הבאה:
      
      כאשר P_c הוא הלחץ הממוצע של תא בעירה; זה אזור הגרון. ḿ הוא קצב זרימת המסה הכולל.
   3. חשב את המהירות התיאורטית האופיינית של דלק פרפין C⃰_{P על} ידי נאס"א CEA קוד³³.

Results

איור 7 מראה את השינויים בלחץ תא הבעירה ובקצב זרימת המסה של חמצון. כדי לספק את הזמן הדרוש לוויסות זרימה, חמצון נכנס לתא הבעירה מראש. כאשר המנוע בונה לחץ בתא הבעירה, קצב זרימת מסת החמצן יורד במהירות ולאחר מכן שומר על שינוי יציב יחסית. במהלך תהליך הבעירה, הלחץ בתא הבעירה נותר יציב יחסית.

תמונות המציגות השוואה של תדירות תנודות בלחץ תא בעירה מוצגות באות 8. ספקטרום תנודות הלחץ של תבואת הדלק הרומן הכיל שלוש פסגות נפרדות, שהיו קשורות לתדר הנמ...

Discussion

הטכניקה המוצגת בנייר זה היא גישה חדשנית באמצעות גרגר דלק עם מבנה הליקל מקוננים. אין קשיים בהקמת הציוד והמתקנים הדרושים. המבנה ההליקל יכול להיות מיוצר בקלות על ידי הדפסה תלת-ממדית, וגינון של דלקים מבוססי פרפין יכול להתבצע בקלות על ידי יציקה צנטריפוגלית. תצהיר מותך יצוק (FDM) מדפסות 3D אינן יקרות ואת העלות של צנטריפוגות היא נמוכה.

כאשר נמצא כי המשטח הפנימי של גרגר הדלק המעוצב כולל סדקים שלא ניתן להתעלם מהם, טמפרטורת החימום במיקסר המסה הוגדלה ל-200 מעלות צלזיוס. לאחר מכן, המאפיינים של צמיגות נמו...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
מדפסת תלת מימד	Raise3D	N2 Plus	305 ופעמים; 305 ופעמים; 605 מ"מ
תוכנת ציור תלת מימד	Autodesk	Inventor
ABS	Raise3D	ABS שחור	1.75 מ"מ
מצלמה	Sony	A6000
Carbon	Aibeisi	ATP-88AT
מכונה צנטריפוגלית	Luqiao Langbo מנוע Co.Ltd	מותאם אישית	; 1450 סל"ד
תוכנה לעיבוד נתונים	OriginLab	Origin 2020
EVA	DuPont Company	360	קלסר
זרימת המונים	Bronkhost	F-203AV	0-1500 ln/min
מערבל נמס	Winzhou Chengyi Jixie Co.Ltd	תכליתי מותאם אישית
	NI	USB-6211
חברת קבוצת פרפין	Sinopec	58 #	פרפין מזוקק לחלוטין, נקודת התכה&# 8776; 58° שעוות C
PE	קטאר תעשיית הנפט הכימית החברה	מותאמת אישית
	Raise3D	ideaMaker
מצת	NGK	PFR7S8EG
חומצה סטארית	חברת מגיב	מותאם אישית