Migliorare le prestazioni di combustione di un motore a razzo ibrido utilizzando un nuovo grano combustibile con una struttura elicoiale annidata
18 gennaio 2021
Viene presentata una tecnica che utilizza un granello di combustibile solido con una nuova struttura elicoiale annidata per migliorare le prestazioni di combustione di un motore a razzo ibrido.
Questo metodo può aiutare a rispondere alla domanda su come migliorare le prestazioni di combustione dei grani. I principali vantaggi di questo protocollo è che la struttura elicoiale dei grani di combustibile non scomparirà con il processo di combustione. Questo metodo può anche essere applicato alla formula granulosità con diverse compilazioni di materiale come EBS e PUX.
Inizia preparando lo stirene butadiene acrilonitrile, o substrato ABS, utilizzando il software 3D. Salvare la struttura del substrato 3D come file STL. Quindi aprire il software di affezione 3D e importare la struttura.
Fare clic su Avvia affezione e selezionare la modalità di stampa rapida dal modello principale. Velocità di doppio clic. Quindi cambia la densità di riempimento al 100% e seleziona la zattera con gonna per l'edizione della piattaforma.
Fare clic su Salva e chiudi e quindi su Sezione. Accendere la stampante 3D e importare il file slice del substrato ABS. Impostare la temperatura del letto riscaldato e dell'ugello rispettivamente a 100 e 240 gradi Celsius.
Fare clic sull'inizio per stampare dopo la stabilizzazione. Per garantire una stampa di successo, applicare la colla solida sulla piastra calda per aumentare l'adesione tra il substrato ABS e la piastra calda. Per una preparazione del combustibile a base di paraffina preparare materie prime di paraffina, cera di polietilene, acido sterico, acetato di vinile di etilene e polvere di carbonio.
Configurare il combustibile a base di paraffina in base alle indicazioni del manoscritto e posizionare i materiali configurati nel miscelatore di fusione. Quindi sciogliere e mescolarli fino a completa miscela. Posizionare il substrato ABS nella centrifuga e fissarlo con un tappo finale.
Collegare la polvere e accendere l'interruttore della pompa di raffreddamento ad acqua. Quindi accendere il relè della centrifuga e aumentare la velocità a 1.400 giri/min. Aprire la valvola sul miscelatore di fusione e iniziare a lanciare.
Rimuovere la granulosità del carburante e tagliare la forma. Misurare e registrare il peso, la lunghezza e il diametro interno del grano combustibile completo e fotografarlo. Per assemblare il motore a razzo ibrido, fissare la sezione della camera di combustione sul binario scorrevole, caricare il grano combustibile e installare la sezione della camera di post combustione.
Installare la testa e l'ugello. Quindi installare l'accenditore della torcia sulla testa del motore a razzo ibrido. Installare la candela e collegare l'alimentatore.
Collegare le linee di alimentazione di azoto, ossidante, metano di accensione e gas ossigeno di accensione tra il banco di prova e la bombola del gas. Collegare il computer industriale, la scheda di acquisizione dati multifunzione, il controller di flusso di massa e la scatola di controllo del banco di prova. Alimentazione sul banco di prova, sul regolatore del flusso di massa e sull'accenditore.
Aprire il software FlowDDE e fare clic sulle impostazioni di comunicazione. Fare clic sull'interfaccia di connessione corrispondente e fare clic su OK. Fare clic su comunicazione aperta per stabilire la comunicazione con il controller di flusso.
Quindi aprire il programma di misurazione e controllo, o MCP. Impostare il canale di input e output della scheda di acquisizione dati multifunzione e fare clic su Esegui per stabilire la comunicazione con l'intero sistema. Controllare lo stato di esecuzione dell'MCP e impostarlo sulla modalità di controllo manuale.
Controllare le condizioni di lavoro della candela ed eseguire un test della valvola. Testare la funzione di registrazione dei dati. Aprire quindi l'interfaccia di impostazione e impostare il tempo di test, inclusi l'orario di apertura e chiusura della valvola, il tempo di accensione e la durata della registrazione dei dati.
Impostare i requisiti di sicurezza e liberare il personale dall'area sperimentale. Aprire la valvola del cilindro e regolare la pressione di uscita della valvola di regolazione in base alle diverse condizioni di portata di massa. Aprire l'interfaccia di impostazione e impostare la portata di massa dell'ossidante.
Accendere la fotocamera, quindi impostare l'MCP sulla modalità di controllo automatico e attendere il trigger. Fare clic sul pulsante Start sull'MCP per avviare l'esperimento. Dopo circa un minuto, fare clic su Interrompi e spegni la fotocamera.
Chiudere la bombola del gas e aprire la valvola nella tubazione per alleviare la pressione. Spegnere il banco di prova e rimuovere la grana del carburante. Misurare e fotografare il grano combustibile come dimostrato in precedenza.
Qui sono riportati i cambiamenti nella pressione della camera di combustione e nella portata di massa dell'ossidante. Per fornire il tempo necessario per la regolazione del flusso, l'ossidante entra in anticipo nella camera di combustione. Quando il motore costruisce pressione nella camera di combustione, la portata di massa dell'ossigeno diminuisce rapidamente e quindi mantiene un cambiamento relativamente costante.
Durante il processo di combustione, la pressione nella camera di combustione rimane stabile. Qui viene presentato un confronto della frequenza di oscillazione della pressione della camera di combustione. Lo spettro di fluttuazione della pressione del nuovo granello di combustibile conteneva tre picchi distinti che erano associati alla bassa frequenza ibrida, alla modalità Helmholtz e alla semi-onda acustica nella camera di combustione.
Le posizioni dei picchi di pressione del nuovo grano combustibile erano fondamentalmente le stesse di quella dei combustibili a base di paraffina, il che indica che la nuova struttura non è suscettibile di introdurre ulteriori oscillazioni di combustione. Il tasso di regressione in funzione del flusso di ossidante è stato confrontato tra i grani di combustibile. Alla stessa portata di massa dell'ossidante, la velocità di regressione del nuovo grano combustibile era superiore a quella del combustibile a base di paraffina e il divario si allargava gradualmente con l'aumentare del flusso di ossidante.
La velocità caratteristica è stata utilizzata per confrontare l'efficienza di combustione. Il nuovo grano combustibile mostrava una velocità caratteristica più elevata rispetto ai grani a base di paraffina a vari rapporti ossidante e combustibile. Ciò corrisponde a un aumento medio dell'efficienza di combustione di circa il 2% Quando si tenta questo protocollo, tenere presente che la temperatura di colata del combustibile a base di paraffina non può essere superiore a 120 gradi Celsius.
Visualizza la trascrizione completa e accedi a migliaia di video scientifici
Panoramica
Questo articolo presenta una nuova tecnica che utilizza un grano di carburante solido con una struttura elicoidale annidata per migliorare le prestazioni di combustione dei motori a razzo ibridi. La struttura elicoidale assicura che i grani di carburante mantengano la loro integrità durante il processo di combustione.
Componenti chiave dello studio
Area della scienza
- Prestazioni di combustione
- Motori a razzo ibridi
- Progettazione del grano di carburante
Sfondo
- Migliorare l'efficienza di combustione è cruciale per i motori a razzo ibridi.
- I grani di carburante tradizionali possono degradarsi durante la combustione.
- Nuove strutture possono potenzialmente migliorare le prestazioni.
- Possono essere esplorate diverse compilazioni di materiali per i grani di carburante.
Scopo dello studio
- Sviluppare un design del grano di carburante che migliori le prestazioni di combustione.
- Investigare la durabilità dei grani di carburante con struttura elicoidale durante la combustione.
- Valutare l'applicabilità di questo metodo a varie composizioni di materiale.
Metodi utilizzati
- Preparazione del substrato in acrilonitrile butadiene stirene (ABS) utilizzando software 3D.
- Salvataggio della struttura 3D del substrato come file STL.
- Importazione della struttura in software di taglio 3D.
- Condurre test di combustione per valutare le prestazioni.
Principali risultati
- I grani di carburante con struttura elicoidale hanno mostrato prestazioni di combustione migliorate.
- I grani di carburante hanno mantenuto la loro struttura durante il processo di combustione.
- Il metodo può essere adattato per diverse formulazioni di materiale.
Conclusioni
- La nuova struttura elicoidale migliora l'efficienza di combustione dei motori a razzo ibridi.
- Questo approccio offre una promettente via per i futuri design dei grani di carburante.
- Ulteriori ricerche possono esplorare ulteriori composizioni di materiale per l'ottimizzazione.
Domande frequenti
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.
