Summary
En teknikk som benytter et fast brensel korn med en ny nestet spiralformet struktur for å forbedre forbrenningsytelsen til en hybrid rakettmotor presenteres.
Abstract
En teknikk for å forbedre forbrenningsytelsen til en hybrid rakettmotor ved hjelp av en ny drivstoffkornstruktur presenteres. Denne teknikken benytter de forskjellige regresjonshastighetene av akrylnitril butadien styren og parafinbaserte drivstoff, noe som øker utvekslingene av både materie og energi ved virvelstrømnings- og resirkuleringssoner dannet ved sporene mellom de tilstøtende svinlene. Sentrifugalstøpeteknikken brukes til å kaste det parafinbaserte drivstoffet inn i et akrylnitril butadienstyrnesubstrat laget av tredimensjonal utskrift. Ved hjelp av oksygen som oksidasjonsmiddel ble det utført en rekke tester for å undersøke forbrenningsytelsen til det nye drivstoffkornet. Sammenlignet med parafinbaserte drivstoffkorn viste drivstoffkornet med en nestet spiralstruktur, som kan opprettholdes gjennom forbrenningsprosessen, betydelig forbedring i regresjonshastigheten og stort potensial for forbedring av forbrenningseffektivitet.
Introduction
En teknikk for å forbedre forbrenningsytelsen til en hybrid rakettmotor er sterkt nødvendig. Til dags dato er praktiske anvendelser av hybridrakettmotorer fortsatt langt mindre enn de av faste og flytende rakettmotorer1,2. Den lave regresjonshastigheten av tradisjonelle drivstoff begrenser forbedringen av skyvekraftytelsen for hybridrakettmotor 3,4. I tillegg er forbrenningseffektiviteten litt lavere enn for andre kjemiske energiraketter på grunn av forbrenning av forbrenningav forbrenning 5, som vist i figur 1. Selv om ulike teknikker har blitt studert og utviklet, for eksempel bruk av multi-porter6, styrke tilsetningsstoffer7,8,9, flytende drivstoff10,11,12, virvel injeksjon13, fremspring14, og bløff kroppen15, disse tilnærmingene er forbundet med problemer i volumutnyttelse, forbrenning effektivitet, mekanisk ytelse, og redundans kvalitet. Så langt har strukturell forbedring av drivstoffkornet, som ikke har disse manglene, tiltrukket seg mer oppmerksomhet som et effektivt middel for å forbedre forbrenningsytelsen16,17. Bruk av tredimensjonal (3D) utskrift har brough en effektiv måte å øke ytelsen til hybrid rakettmotorer gjennom evnen til å raskt og billig produsere enten komplekse konvensjonelle korn design eller ikke-overbevisende drivstoff korn18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30. Men under forbrenningsprosessen reduseres disse forbedringene i forbrenningsytelsen med den karakteristiske strukturbrenningen, noe som resulterer i en reduksjon i forbrenningsytelse23. Vi har vist at en ny design er nyttig for å forbedre ytelsen til hybrid rakettmotorer31. Detaljene for denne teknikken og representative resultater presenteres i denne artikkelen.
Drivstoffkornet består av et spiralalt substrat laget av akrylnitril-butadien-styren (ABS) og et nestet parafinbasert drivstoff. Basert på sentrifugal- og 3D-utskrift ble fordelene med de to drivstoffene med forskjellige regresjonshastigheter kombinert. Den spesielle spiralformede strukturen til drivstoffkornet etter forbrenning er vist i figur 2. Når gass passerer gjennom drivstoffkornet, opprettes det samtidig mange resirkuleringssoner ved spor mellom bladene, som er vist i figur 3. Denne karakteristiske strukturen på den indre overflaten øker turbulens kinetisk energi og virvel nummer i forbrenningskammeret, noe som øker utvekslingen av både materie og energi i forbrenningskammeret. Til syvende og sist er regresjonshastigheten til det nye drivstoffkornet effektivt forbedret. Effekten av å forbedre regresjonsraten har blitt godt bevist: spesielt ble regresjonshastigheten til det nye drivstoffkornet vist å være 20% høyere enn det parafinbaserte drivstoffet ved massestrømmen på 4 g / s · cm2,32.
En fordel med drivstoffkornet med en nestet spiralformet struktur er at det er enkelt å produsere. Støpeprosessen krever hovedsakelig en smeltemikser, en sentrifuge og en 3D-skriver. ABS-substratet dannet av 3D-utskrift reduserer produksjonskostnadene betydelig. En annen betydelig og unik fordel er at forbedringseffekten ikke forsvinner under forbrenningsprosessen.
Dette papiret presenterer det eksperimentelle systemet og prosedyren for å forbedre forbrenningsytelsen til en hybrid rakettmotor ved hjelp av den nye drivstoffkornstrukturen. I tillegg presenterer dette papiret tre representative sammenligninger av forbrenningsytelsesparametere for å bevise teknikkens gjennomførbarhet, inkludert svingningsfrekvens for forbrenningskammertrykk, regresjonshastighet og forbrenningseffektivitet preget av karakteristisk hastighet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Eksperimentell oppsett og prosedyrer
- Tilberedning av drivstoffkorn
MERK: Drivstoffkornet med ny struktur besto av to deler, som er vist i figur 4. Som hoveddelen av romanen korn, parafin-baserte drivstoff står for mer enn 80% av den totale massen. ABS-underlaget brukes som ekstra drivstoff. Utarbeidelsen av dette drivstoffkornet ble realisert ved å kombinere 3D-utskrift og sentrifugalstøping.- Forberedelse av substrat
- Åpen 3D-programvare for ABS substrat tegning.
MERK: ABS-underlaget, som skal gi det spiralformede rammeverket og støtten til parafinbasert drivstoff, består av tolv integrerte blader som roterer 360° med klokken i aksialretningen og veggen. - Lagre 3D-strukturen til ABS-substratet som en STL-fil.
- Åpne 3D-kuttingsprogramvaren og importer strukturen til ABS-substratet.
- Klikk Start slicing ,og velg Hastighetsutskriftsmodus (Speed print mode) fra hovedmal ( Main Template).
MERK: For primær ekstruderen velger du ABS 1,75 mm. - Dobbeltklikk Hastighet , endreinnfyllingstettheten til 100% og velg Flåte med skjørt for plattformtillegget.
MERK: For å forbedre utskriftskvaliteten og forhindre fordreining, er det nødvendig å bruke en struktur av utskriftsbasen (Flåte med skjørt) for å øke kontaktområdet mellom skrivekroppen og bunnplaten. - Klikk Lagre og lukk, og klikk deretter Del.
- Slå på 3D-skriveren, og importer ABS-substrats slicefilen.
- Still inn temperaturen på den oppvarmede sengen og dysen til henholdsvis 100 og 240 °C.
- Klikk Start for å skrive ut etter stabilisering.
- Åpen 3D-programvare for ABS substrat tegning.
- Parafinbasert drivstoffforberedelse
- Forbered råvarer av parafin, polyetylenvoks ( PE) voks, stearsyre, etylen-vinylacetat (EVA) og karbonpulver. Konfigurer det parafinbaserte drivstoffet i henhold til forholdet mellom disse komponentene som 0,58:0.2:0.1:0.1:0.0.02.
MERK: Den spesifikke informasjonen for hvert råmateriale vises i materialtabellen. Distribusjonsforholdet for parafinbasert drivstoff er ikke fast og kan justeres riktig i henhold til formålet med eksperimentet. Formålet med å tilsette karbonpulver er å blokkere strålende varmeoverføring og hindre at drivstoffkornet mykner og kollapser under forbrenning. - Plasser de konfigurerte råvarene i smelteblanderen, og smelt og rør helt til den er helt blandet.
MERK: Det parafinbaserte drivstoffet varmes opp til 120 °C for å sikre fullstendig smelting samtidig som det forhindrer deformasjon av ABS-bladene.
- Forbered råvarer av parafin, polyetylenvoks ( PE) voks, stearsyre, etylen-vinylacetat (EVA) og karbonpulver. Konfigurer det parafinbaserte drivstoffet i henhold til forholdet mellom disse komponentene som 0,58:0.2:0.1:0.1:0.0.02.
- Produksjon av drivstoffkorn
MERK: For bedre å demonstrere effekten av å forbedre forbrenningsytelsen, ble parafinbaserte drivstoffkorn med samme sammensetning satt som kontrollen.- Plasser ABS-underlaget i sentrifugen, og fest det med en endehette.
- Koble til strømmen og slå på vannkjølingspumpebryteren.
- Slå på sentrifugereléet og øk hastigheten til 1400 o/min.
- Åpne ventilen på smeltemikseren og begynn å støpe.
MERK: Det smeltede parafinbaserte drivstoffet strømmer inn i den første delen av formen gjennom røret og endedekselet med en sentral åpning. Under tyngdekraften sprer det flytende drivstoffet seg langs formens aksiale retning. Kombinert med effektiv kjøling er det nødvendig med en flerstøpingsmetode, som er å dele den opprinnelige engangsfyllingsprosessen i flere ganger, for å redusere termisk stress. - Fjern drivstoffkornet og trim formen.
- Måling og registrering av drivstoffkorn
- Mål og registrer vekten, lengden og den indre diameteren på drivstoffkornet.
- Fotografer hele drivstoffkornet.
- Forberedelse av substrat
- Utarbeidelse av hybrid rakett motor system
MERK: Som vist i figur 5besto hybridrakettmotorsystemet av fire deler: forsyningssystemet, tenningssystemet, motoren og måle- og kontrollsystemet. Motordelen inkluderte fem deler: fakkelen tenner, hodet, forbrenningskammeret, etterforbrenningskammeret og dysen. Den totale lengden på hybrid rakettmotoren er ca 300 mm, og den indre diameteren på forbrenningskammeret er 70 mm.- Hybrid rakett motor montering
MERK: De uttømmende detaljene i laboratorieskala hybridraketten og sammensetningen av det eksperimentelle systemet finnes i forrige papir32.- Fest forbrenningskammeret delen av hybrid rakettmotor på glideskinnen.
- Last drivstoffkornet og installer seksjonen etter forbrenningskammeret.
- Monter hodet og dysen.
- Monter fakkelen tenneren på hodet på hybrid rakettmotoren.
- Sett på tennpluggen og koble til strømforsyningen.
- Koble nitrogen, oksidasjonsmiddel, tenningsmetan og antennelse oksygengass forsyningsledninger mellom testbenken og gassflasken.
- Koble til den industrielle datamaskinen, multifunksjonsdatainnsamlingskortet, masseflytkontrolleren og kontrollboksen på testbenken.
- Strøm på testbenken, massestrømningskontrolleren og tenneren.
- Hybrid rakett motor montering
- Kontroller testsystemet og angi eksperimentelle forhold.
- Åpne FlowDDE-programvaren, og klikk på Kommunikasjonsinnstillinger fra kommunikasjonen.
- Klikk det tilsvarende tilkoblingsgrensesnittet, og klikk OK.
- Klikk Åpne kommunikasjon for å opprette kommunikasjon med flytkontrolleren og åpne mål- og kontrollprogrammet (MCP).
- Angi I/U-kanalen for datainnhentingskortet med flere funksjoner, og klikk Kjør for å opprette kommunikasjon med hele systemet.
- Kontroller MCP kjørestatus og sett til manuell kontrollmodus.
MERK: MCP-en inneholder to moduser: manuell kontroll brukes til feilsøking og automatisk kontroll brukes under eksperimenter. MCP skrevet av LabVIEW er vist i figur 6. - Kontroller tilstanden til tennpluggen og utfør en ventiltest.
- Test dataregistreringsfunksjonen.
- Åpne innstillingsgrensesnittet og angi testtid, inkludert ventilåpning og stengetid, tenningstid og dataregistreringsvarighet.
MERK: Det tar litt tid for massestrømningsregulatoren å regulere oksidasjonsstrømmen til den innstilte verdien, slik at tenningstiden ble satt til 2 s etter tilførsel av oksidasjonsmiddel. - Still sikkerhetskrav og tydelig personell fra det eksperimentelle området.
- Åpne sylinderventilen og juster utgangstrykket til reguleringsventilen i henhold til de forskjellige massestrømningshastighetsforholdene.
MERK: Med forsyningstrykket på 6MPa er oksidasjonshastigheten til oksidatorens rekkevidde mellom 7 g/s og 29 g/s. - Åpne innstillingsgrensesnittet og angi oksidasjonsmiddelmassestrømningshastigheten.
- Hybrid rakett motor tenning
- Slå på kameraet.
- Sett MCP til automatisk kontrollmodus og vent på utløser.
- Klikk på Start på MCP-en for å starte eksperimentet.
- Etter omtrent ett minutt klikker du stopp på MCP og slår av kameraet.
- Lukk gassflasken og åpne ventilen i rørledningen for å avlaste trykket.
- Slå av testbenken og fjern drivstoffkornet.
- Gjenta trinn 1.1.4.
2. Analyse av forbrenningsytelse
- Analyse av trykksvingninger
MERK: De lagrede trykkdataene for forbrenningskammeret er representert som Pc(t).- Åpne Pc(t) med databehandlingsprogramvaren.
- Velg tidsperioden under forbrenningsprosessen av hybrid rakettmotoren.
- Velg Analyse > Signalbehandling > FFT for å analysere trykksvingninger.
- Bruk standardinnstillingene, og klikk OK.
- Analyse av regresjonshastighet
- Beregn regresjonshastigheten til drivstoffkornet i henhold til følgende funksjon:
hvor ΔD representerer endringen av gjennomsnittlig indre diameter av fast brensel korn etter avfyring test;
representerer endringen av kvaliteten på drivstoffkornet; L er lengden på drivstoffkornet; ρ er den gjennomsnittlige tettheten av fast brensel; t er arbeidstiden.
MERK: Den gjennomsnittlige tettheten av romanen korn ble uttrykt som:
hvor
og 
representerer tettheten av det nestede parafinbaserte drivstoff- og ABS-materialet, henholdsvis; 
og representerer 
massefraksjonen av det nestede parafinbaserte drivstoff- og ABS-materialet. - Monter regresjonshastigheten som en funksjon av oksidasjonsfluks.
MERK: Tilpasningsfunksjonen ble valgt som Allometric1
, og den iterative algoritmen ble valgt som Levenberg–Marquardt optimaliseringsalgoritme.
- Beregn regresjonshastigheten til drivstoffkornet i henhold til følgende funksjon:
- Analyse av forbrenningseffektivitet
- Beregn gjennomsnittlig forbrenningskammertrykk Pc ved hjelp av følgende funksjon:
der Pc(t) representerer forbrenningskammerets trykk til forskjellige tider; t1 og tn representerer de første og siste tider hvor forbrenningskammeret trykket var større enn 50% av gjennomsnittlig trykk, henholdsvis; n representerer antall trykkdatapunkter mellom og t1 og tn. - Beregn forbrenningskarakteristikk hastighet C⃰ henhold til følgende funksjon:
hvor Pc er gjennomsnittlig forbrenningskammertrykk; At er halsområdet; ḿ er den totale massestrømningshastigheten. - Beregn den teoretiske karakteristiske hastigheten til parafindrivstoff C⃰P av NASA CEA-kode33.
- Beregn gjennomsnittlig forbrenningskammertrykk Pc ved hjelp av følgende funksjon:
representerer endringen av kvaliteten på drivstoffkornet; L er lengden på drivstoffkornet; ρ er den gjennomsnittlige tettheten av fast brensel; t er arbeidstiden.
og 
representerer tettheten av det nestede parafinbaserte drivstoff- og ABS-materialet, henholdsvis; 
og representerer 
massefraksjonen av det nestede parafinbaserte drivstoff- og ABS-materialet.
, og den iterative algoritmen ble valgt som Levenberg–Marquardt optimaliseringsalgoritme.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figur 7 viser endringene i forbrenningskammertrykk og oksidasjonsmiddelmassestrømningshastighet. For å gi nødvendig tid for strømningsregulering, kommer oksidatoren inn i forbrenningskammeret på forhånd. Når motoren bygger trykk i forbrenningskammeret, faller oksygenmassestrømningshastigheten raskt og opprettholder deretter en relativt jevn endring. Under forbrenningsprosessen forblir trykket i forbrenningskammeret relativt stabilt.
Bilder som viser en sammenligning av forbrenningskammer trykk oscillasjon frekvens er presentert i figur 8. Trykksvingspekteret av det nye drivstoffkornet inneholdt tre forskjellige topper, som var forbundet med hybrid lavfrekvent, Helmholtz-modus og den akustiske halvbølgen i forbrenningskammeret,henholdsvis 34. Plasseringen av trykktoppene som tilsvarer den nye drivstoffkornet var i utgangspunktet den samme som for parafinbaserte drivstoff, noe som indikerer at ny struktur sannsynligvis ikke vil introdusere ytterligere forbrenningssvingninger. Videre kan det tydelig ses fra den glatte kurven at amplituden av dominerende lavfrekvent trykksvingninger ble litt forsterket av den nye strukturen. Derfor, før selve anvendelsen av romanen drivstoffkorn, ytterligere strukturell optimalisering er nødvendig for å redusere amplituden av trykksvingninger.
Figur 9 viser en sammenligning av regresjonshastighet som en funksjon av oksidasjonsmiddelfluks mellom nye drivstoffkorn og parafinbaserte drivstoffkorn. Sammenlignet med tradisjonelle HTPB-drivstoff ble regresjonsraten for parafinbaserte drivstoff omtrent doblet. Likevel, med samme oksidasjonsmiddel massestrømningshastighet, ble regresjonshastigheten til det nye drivstoffkornet vist seg å være høyere enn det parafinbaserte drivstoffet. Og gapet mellom regresjonshastigheten på to drivstoff økte også gradvis etter hvert som oksidasjonsrøret økte.
Et bilde som sammenligner forbrenningseffektivitet basert på den karakteristiske hastigheten er presentert i figur 10. Romanen drivstoffkorn viste en høyere (karakteristisk hastighet) enn parafin-baserte korn på ulike oksidasjonsmiddel / drivstoff prosenter. Tilsvarende, tilrettelagt av den nestede spiralformede strukturen, har den gjennomsnittlige forbrenningseffektiviteten til det nye drivstoffkornet blitt økt med ca. 2% (±0,7%). På grunn av den lave kaloriverdien av kommersielle ABS-materialer og de forskjellige ekvivalensforholdene, var forbedringen av forbrenningseffektiviteten forårsaket av den nye strukturen ikke åpenbar.
Resultatene av avfyringstester viste at ytelsen til regresjonshastigheten for drivstoffkornet med en nestet spiralformet struktur effektivt kunne forbedres32. Videre viser den nye strukturen også et stort potensial i forbedring av forbrenningseffektivitet. Begge mange resirkuleringssoner på sporene mellom tilstøtende svinler og spiralstrukturen øker turbulensen og virvelnummeret i forbrenningskammeret. Utveksling av materie og energi mellom drivstoffkornet og forbrenningssonen økes, og dermed forbedre forbrenningsytelsen.
Figur 1: Forbrenningsprosess involvert i hybridrakett.
Blandings- og forbrenningsprosessene til hybridraketten er forskjellig fra enten væsker eller faste stoffer. I hybrider forekommer blanding og forbrenning i området diffusjonsforbrenning som har samme lengde som forbrenningskammeret. Arten av diffusjon forbrenningsmodellen fører til en reduksjon i graden av blanding og forbrenning effektivitet, som varierer fra 50% til 99% i praktiske applikasjoner27,35. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 2: Karakteristisk struktur av romanen drivstoff korn.
På grunn av de forskjellige regresjonsratene mellom to drivstoff, dannes og vedlikeholdes denne nestede spiralformede strukturen under forbrenningsprosessen. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 3: Resirkuleringssone dannet.
Når gass passerer gjennom sporene mellom tilstøtende lamler, dannes en resirkuleringssone. Forstyrrelsen intensiveres, og utvekslingen av materie og energi i forbrenningskammeret er forbedret. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 4: Strukturelle bilder av romanen drivstoffkorn.
(a) 3D-utskrift av ABS-substrat med en ytre diameter på 70 mm, en indre diameter på 30 mm, og en lengde på 125 mm. (b) Nested spiralformet struktur av det nye drivstoffkornet, der parafinbasert drivstoff og ABS-blader opprettholder samme opprinnelige indre diameter. (c) Bilde av det formede drivstoffet. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 5: Eksperimentelt oppsett.
Skjematisk av laboratorie-skala hybrid rakettmotor. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 6: LabVIEW måling og kontroll program grensesnitt.
(a) Oppsett grensesnitt (b) auto-modus grensesnitt(c) manuell modus grensesnitt(d) program som kjører overvåking grensesnitt. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 7: Endring av forbrenningskammertrykk og oksidasjonsmiddelmassestrømningshastighet.
Under forbrenningsprosessen forblir massestrømningshastigheten til oksidasjonsmiddel og forbrenningskammertrykk relativt stabil. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 8: Sammenligning av forbrenningskammer trykk oscillasjon frekvens.
Lavfrekvent oscillasjon er den dominerende forbrenningssvingningering modus av hybrid raketter. Sammenlignet med parafinbaserte drivstoffkorn har amplituden av dominerende oscillasjon for drivstoffkornet med nestet spiralformet struktur økt noe. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 9: Sammenligning av regresjonshastighet med oksidasjonsmiddelfluks.
Etter hvert som oksidasjonsrøret øker, blir effekten av den nye strukturen på å øke regresjonsraten mer signifikant. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 10: Sammenligning av forbrenningseffektivitet basert på karakteristisk hastighet.
(a)Gjennomsnittlig forbrenningseffektivitet av parafinbasert brenselkorn er 77%. (b)Gjennomsnittlig brennende effektivitet av nye korn er 79%. Fordi forbrenningskaloriverdien av ABS-materialet som brukes er ekstremt lav, er forbrenningseffektiviteten litt forbedret. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Teknikken som presenteres i dette papiret er en ny tilnærming ved hjelp av et drivstoffkorn med en nestet spiralformet struktur. Det er ingen problemer med å sette opp nødvendig utstyr og fasiliteter. Den spiralformede strukturen kan enkelt produseres ved 3D-utskrift, og hekking av parafinbaserte drivstoff kan enkelt utføres ved sentrifugalstøping. Smeltet avsetning molding (FDM) 3D-skrivere er ikke dyrt og kostnaden for sentrifuger er lav.
Når den indre overflaten av det formede drivstoffkornet ble funnet å ha sprekker som ikke kan ignoreres, ble varmetemperaturen i smeltemikseren økt til 200 °C. Deretter ble de lave viskositetsegenskapene til parafinbasert drivstoff brukt til å utføre en reparasjonsgytelse for å fylle hulrommene til drivstoffkornet. Etter at kornet var helt avkjølt, ble det indre hullet polert til diameteren var i samsvar med den opprinnelige designen.
Det er flere kritiske trinn i protokollen. I trinn 1.1.1.5, fordi kontaktområdet mellom ABS-underlaget og utskriftstabellen er liten, blir bunnen av underlaget lett deformert og kan skli under utskriftsprosessen, noe som til slutt resulterer i utskriftsfeil. Dette problemet kan i stor grad lindres ved å øke kontaktområdet på bunnoverflaten. Det ble funnet at bruk av Raft med Skjørt parameter fungerer best. Innfyllingstettheten må settes til 100 % for å redusere utskriftstomrommene i ABS-underlaget og øke utskriftstettheten. I tillegg, i trinn 1.1.1.8, kan det effektivt hindre at ABS-substratet blir vridd.
I trinn 1.1.2.2, basert på den termiske deformasjonstemperaturen til ABS og minimum smeltetemperaturen til parafinbasert drivstoff, ble oppvarming av det konfigurerte parafinbaserte drivstoffet til en temperatur på 120 °C vist seg mulig. Det er nødvendig å hindre abs-substratet fra å deformere når temperaturen er for høy. Samtidig er det nødvendig å unngå ufullstendig smelting og blanding av parafinbasert drivstoff når temperaturen er for lav.
I trinn 1.1.3, for å forkorte støpetiden, og for å unngå problemet med at drivstoffkornet lett knekkes på grunn av overdreven termisk stress som genereres under kjøleprosessen til one-shot-støpeprosessen, er det nødvendig med å øke antall støpninger og effektiv kjøling for rask og høy kvalitet støping av drivstoffkornet. Ifølge den faktiske støpekvalitet og produksjonserfaring, fire eller flere helletider er nødvendig for størrelsen på drivstoffkorn i dette arbeidet.
Det er to begrensninger i denne teknikken. Det ene er at materialene er uforenlige. På grunn av termisk stress og støping feil, den nye drivstoffkorn er sannsynlig å ha sprekker, defekter eller avbonding under støping prosessen. Men ved å sammenligne resultatene av avfyringstestene mellom sprukket drivstoffkorn og det normale drivstoffkornet, ble det funnet at den karakteristiske strukturen til de to typene drivstoffkorn, som er vist i figur 2, forble i utgangspunktet den samme etter forbrenning. Ingen åpenbar fenomen av erosiv brenning ble observert på den indre overflaten av drivstoffkornet. Fordi de lave viskositetsegenskapene til det parafinbaserte drivstoffet gjør det spontant fylle sprekkene under forbrenningsprosessen, er dette nye drivstoffkornet ikke følsomt for sprekker.
For det andre, på grunn av egenskapene til sentrifuge, avkjøles parafinbaserte drivstoff ikke lett i tide under dannelsen av drivstoffkornet, noe som resulterer i delaminering. For å unngå en så stor innvirkning på drivstoffkornets radiale ensartethet, kan det å øke antall øser overvinne denne vanskeligheten.
Basert på den strukturelle optimaliseringen foreslås en ny drivstoffkorn med en nestet spiralformet struktur. På grunn av de forskjellige regresjonshastighetene mellom de to materialene, kan denne karakteristiske strukturen eksistere gjennom hele forbrenningsprosessen og gi ytelsesforbedringer. Sammenlignet med parafinbasert drivstoffkorn, viser denne nye strukturen effektiv forbedring, inkludert den generelle regresjonshastigheten og forbrenningseffektiviteten.
Den presenterte teknikken kan brukes til å forbedre forbrenningsytelsen til tradisjonelle drivstoff som HTPB (hydroksylterminert polybutadien), parafinbasert drivstoff og karboksylterminert polybutadien. Vi tror at denne teknikken effektivt kan løse hovedproblemet med lav regresjonshastighet som for tiden begrenser utviklingen av hybrid rakettmotoren. I tillegg viser denne teknikken stort potensial for å forbedre forbrenningseffektiviteten. Ytterligere optimalisering av parametere som bladstrukturen, antall blader og bladtykkelsen er nødvendig for å maksimere forbrenningsytelsen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ingenting å avsløre.
Acknowledgments
Dette arbeidet ble støttet av National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 11802315, 11872368 og 11927803) og Equipment Pre-Research Foundation of National Defense Key Laboratory (Grant No. 6142701190402).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 3D printer | Raise3D | N2 Plus | 305 × 305 × 605 mm |
| 3D drawing software | Autodesk | Inventor | |
| ABS | Raise3D | ABS black | 1.75 mm |
| Camera | Sony | A6000 | |
| Carbon | Aibeisi | ATP-88AT | |
| Centrifugal machine | Luqiao Langbo Motor Co.Ltd | Custom | ≤1450 rpm |
| Data processing software | OriginLab | Origin 2020 | |
| EVA | DuPont Company | 360 | binder |
| Mass flow controller | Bronkhost | F-203AV | 0-1500 ln/min |
| Melt mixer | Winzhou Chengyi Jixie Co.Ltd | Custom | |
| Multi-function data acquisition card | NI | USB-6211 | |
| Paraffin | Sinopec Group Company | 58# | Fully refined paraffin, Melting point≈58°C |
| PE wax | Qatar petroleum chemical industry Company | Custom | |
| Slicing software | Raise3D | ideaMaker | |
| Spark plug | NGK | PFR7S8EG | |
| Stearic acid | ical Reagent Company | Custom | hardener |
References
- 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).
- Karabeyoglu, A., Zilliac, G., Cantwell, B. J., DeZilwa, S., Castellucci, P. Scale-Up Tests of High Regression Rate Paraffin-Based Hybrid Rocket Fuels. Journal of Propulsion and Power. 20 (6), 1037-1045 (2004).
- Jens, E. T., Narsai, P., Cantwell, B., Hubbard, G. S. 50th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference. , (2014).
- Kuo, K. K., Chiaverini, M. J. Fundamentals of Hybrid Rocket Combustion and Propulsion. , (2007).
- Boardman, T., et al. 33rd Joint Propulsion Conference and Exhibit. , (1997).
- Connell, T. L., et al. Enhancement of Solid Fuel Combustion in a Hybrid Rocket Motor Using Amorphous Ti-Al-B Nanopowder Additives. Journal of Propulsion and Power. 35 (3), 662-665 (2019).
- Veale, K., Adali, S., Pitot, J., Brooks, M. A review of the performance and structural considerations of paraffin wax hybrid rocket fuels with additives. Acta Astronautica. 141, 196-208 (2017).
- Karakas, H., Kara, O., Ozkol, I., Karabeyoglu, A. M. AIAA Propulsion and Energy 2019 Forum. , (2019).
- Di Martino, G. D., Mungiguerra, S., Carmicino, C., Savino, R. Computational fluid-dynamic modeling of the internal ballistics of paraffin-fueled hybrid rocket. Aerospace Science and Technology. 89, 431-444 (2019).
- Leccese, G., Cavallini, E., Pizzarelli, M. AIAA Propulsion and Energy 2019 Forum. , (2019).
- Cardoso, K. P., Ferrão, L. F. A., Kawachi, E. Y., Gomes, J. S., Nagamachi, M. Y. Ballistic Performance of Paraffin-Based Solid Fuels Enhanced by Catalytic Polymer Degradation. Journal of Propulsion and Power. 35 (1), 115-124 (2019).
- Paccagnella, E., Barato, F., Pavarin, D., Karabeyoğlu, A. Scaling Parameters of Swirling Oxidizer Injection in Hybrid Rocket Motors. Journal of Propulsion and Power. 33 (6), 1378-1394 (2017).
- Kumar, R., Ramakrishna, P. A. Effect of protrusion on the enhancement of regression rate. Aerospace Science and Technology. 39, 169-178 (2014).
- Kumar, R., Ramakrishna, P. A. Enhancement of Hybrid Fuel Regression Rate Using a Bluff Body. Journal of Propulsion and Power. 30 (4), 909-916 (2014).
- Degges, M. J., et al. 49th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference. , (2013).
- Connell, T., Young, G., Beckett, K., Gonzalez, D. R. AIAA Scitech 2019 Forum. , (2019).
- Whitmore, S., Peterson, Z., Eilers, S. 47th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit. , (2011).
- Whitmore, S. A., Armstrong, I. W., Heiner, M. C., Martinez, C. J. 2018 Joint Propulsion Conference. , (2018).
- Whitmore, S. A., Peterson, Z. W., Eilers, S. D. Comparing Hydroxyl Terminated Polybutadiene and Acrylonitrile Butadiene Styrene as Hybrid Rocket Fuels. Journal of Propulsion and Power. 29 (3), 582-592 (2013).
- Whitmore, S. A., Sobbi, M., Walker, S. 50th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference. , (2014).
- Whitmore, S. A., Walker, S. D. Engineering Model for Hybrid Fuel Regression Rate Amplification Using Helical Ports. Journal of Propulsion and Power. 33 (2), 398-407 (2017).
- Creech, M., et al. 53rd AIAA Aerospace Sciences Meeting. , (2015).
- Lyne, J. E., et al. 2018 Joint Propulsion Conference. , (2018).
- Elliott, T. S., et al. 52nd AIAA/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference. , (2016).
- Armold, D., et al. 49th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference. , (2013).
- Armold, D. M., et al. 50th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference. , (2014).
- Fuller, J., Ehrlich, D., Lu, P., Jansen, R., Hoffman, J. 47th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit. , (2011).
- Lee, C., Na, Y., Lee, J. W., Byun, Y. H. Effect of induced swirl flow on regression rate of hybrid rocket fuel by helical grain configuration. Aerospace Science and Technology. 11 (1), 68-76 (2007).
- Tian, H., Li, Y., Li, C., Sun, X. Regression rate characteristics of hybrid rocket motor with helical grain. Aerospace Science and Technology. 68, 90-103 (2017).
- Hitt, M. A. 2018 Joint Propulsion Conference. , (2018).
- Wang, Z., Lin, X., Li, F., Yu, X. Combustion performance of a novel hybrid rocket fuel grain with a nested helical structure. Aerospace Science and Technology. 97, (2020).
- McBride, J. B., Gordon, S. Computer Program for Calculation of Complex Chemical Equilibrium Compositions and APPlications. , (1996).
- De Zilwa, S., Zilliac, G., Karabeyoglu, A., Reinath, M. 39th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit. , (2003).
- Franco, M., et al. Regression Rate Design Tailoring Through Vortex Injection in Hybrid Rocket Motors. Journal of Spacecraft and Rockets. 57 (2), 278-290 (2020).
