ネストされたらせん構造を持つ新規燃料粒子を用いたハイブリッドロケットエンジンの燃焼性能の向上
2021年1月18日
ハイブリッドロケットエンジンの燃焼性能を向上させるため、新しいネストされたらせん構造を持つ固体燃料粒子を利用した技術を紹介する。
この方法は、穀物の燃焼性能を改善する方法の質問に答えることができます。このプロトコルの主な利点は、らせん構造の燃料粒が燃焼プロセスで消失しないことです。この方法は、EBS や PUX などの異なる材料コンパイルで穀物式にも適用できます。
3Dソフトウェアを使用して、アクリロニトリルブタジエンスチレン、またはABS基板を準備することで始めます。3D基板構造をSTLファイルとして保存します。次に、3D スライスソフトウェアを開き、構造をインポートします。
[スライスを開始]をクリックし、メインテンプレートからスピードプリントモードを選択します。ダブルクリックの速度。その後、面材密度を100%に変更し、プラットフォーム版のスカート付きいかだを選択します。
[保存して閉じる] をクリックし、[スライス] をクリックします。3Dプリンタの電源を入れ、ABS基板のスライスファイルをインポートします。加熱したベッドとノズルの温度をそれぞれ100度と240度に設定します。
[開始]をクリックすると、安定化後に印刷します。印刷を成功させるために、熱板に固体接着剤を塗布して、ABS基板とホットプレートとの密着性を高めます。パラフィン系燃料調製用にパラフィン、ポリエチレンワックス、ステリック酸、酢酸エチレンビニル、炭素粉末の原料を調製する。
原稿の方向に従ってパラフィンベースの燃料を構成し、構成された材料をメルトミキサーに入れる。その後、完全に混合するまでそれらを溶かし、かき混ぜます。ABS基板を遠心分離機に入れ、エンドキャップで固定します。
粉末を差し込み、水冷ポンプスイッチをオンにします。次に遠心分離器のリレーをオンにし、速度を1,400RPMに上げます。メルトミキサーのバルブを開き、鋳造を開始します。
燃料粒を取り除き、形状を整えます。完全な燃料粒の重量、長さ、内径を測定し、記録し、それを撮影します。ハイブリッドロケットエンジンを組み立てるには、スライドレールの燃焼室部を固定し、燃料粒を積み込み、後燃焼室部を設置します。
ヘッドとノズルを取り付けろ。次に、ハイブリッドロケットエンジンのヘッドにトーチ点火機を取り付けます。スパークプラグを取り付け、電源を接続します。
テストベンチとガスボンベの間の窒素、酸化剤、点火メタン、および点火酸素ガス供給ラインを接続します。産業用コンピュータ、多機能データ取得カード、マスフローコントローラ、およびテストベンチの制御ボックスを接続します。テストベンチ、マスフローコントローラ、イグナイターの電源を入れます。
FlowDDEソフトウェアを開き、通信設定をクリックします。対応する接続インターフェイスをクリックし、[大丈夫]をクリックします。オープン通信をクリックして、フローコントローラとの通信を確立します。
次に、測定および制御プログラム、またはMCPを開きます。多機能データ取得カードの入出力チャネルを設定し、実行をクリックしてシステム全体との通信を確立します。MCP の実行ステータスを確認し、手動制御モードに設定します。
スパークプラグの動作状態を確認し、バルブテストを行います。データ記録機能をテストします。次に、設定インターフェースを開き、バルブの開閉時間、点火時間、データ記録時間を含むテスト時間を設定します。
実験領域から安全要件と明確な人員を設定します。シリンダーバルブを開き、異なる質量流量条件に応じて調整バルブの出力圧力を調整します。設定インタフェースを開き、酸化剤の質量流量を設定します。
カメラの電源を入れ、MCP を自動制御モードに設定し、トリガーを待ちます。MCP の [開始] をクリックして実験を開始します。約 1 分後に[停止]をクリックして、カメラの電源を切ります。
ガスボンベを閉じ、パイプライン内のバルブを開けて圧力を緩和します。テストベンチの電源を切り、燃料グレインを取り外します。前述のように、燃料粒を測定して撮影します。
燃焼室圧力と酸化剤の質量流量の変化をここに示す。流量調節に必要な時間を提供するために、酸化剤は燃焼室に事前に入ります。エンジンが燃焼室に圧力を加えると、酸素の質量流量は急速に低下し、比較的安定した変化を維持します。
燃焼プロセス中、燃焼室内の圧力は安定したままである。燃焼室の圧力振動周波数の比較をここで示します。新しい燃料粒の圧力変動スペクトルには、ハイブリッド低周波、ヘルムホルツモード、および燃焼室の音響半波に関連する3つの異なるピークが含まれていました。
新規燃料粒子の圧力ピークの位置は、パラフィン系燃料と基本的に同じであり、これは新しい構造が追加の燃焼振動を導入する可能性が低いことを示している。酸化剤フラックスの関数としての回帰率を、燃料粒の間で比較した。同じ酸化剤の質量流量では、新規燃料粒の回帰速度はパラフィン系燃料よりも高く、酸化剤の流束が増加するにつれてギャップが徐々に広がった。
燃焼効率を比較するために特性速度を用いた。新しい燃料粒は、パラフィン系穀物よりも高い特性速度を様々な酸化剤および燃料比で示した。これは、約2%の燃焼効率の平均増加に相当し、このプロトコルを試みると、パラフィン系燃料の鋳造温度は摂氏120度を超えることができないことを覚えておいてください。
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概要
この記事では、ハイブリッドロケットエンジンの燃焼性能を向上させるために、ネストされたらせん構造を持つ固体燃料粒子を使用する新しい技術を紹介します。らせん構造により、燃焼プロセス全体を通じて燃料粒子の完全性が保たれます。
主要な研究構成要素
科学の分野
- 燃焼性能
- ハイブリッドロケットエンジン
- 燃料粒子設計
背景
- 燃焼効率の向上はハイブリッドロケットエンジンにとって重要です。
- 従来の燃料粒子は燃焼中に劣化する可能性があります。
- 新しい構造は性能を向上させる可能性があります。
- 燃料粒子には異なる材料組成を探ることができます。
研究目的
- 燃焼性能を向上させる燃料粒子設計を開発する。
- 燃焼中のらせん構造燃料粒子の耐久性を調査する。
- この方法の様々な材料組成への適用性を評価する。
使用方法
- 3Dソフトウェアを使用してアクリロニトリルブタジエンスチレン（ABS）基板を準備する。
- 3D基板構造をSTLファイルとして保存する。
- 構造を3Dスライシングソフトウェアにインポートする。
- 性能を評価するための燃焼テストを実施する。
主な結果
- らせん構造燃料粒子は燃焼性能の向上を示しました。
- 燃料粒子は燃焼プロセス全体を通じて構造を維持しました。
- この方法は異なる材料組成に適応できます。
結論
- 新しいらせん構造はハイブリッドロケットエンジンの燃焼効率を向上させます。
- このアプローチは将来の燃料粒子設計に有望な道を提供します。
- さらなる研究により、最適化のための追加の材料組成を探ることができます。
よくある質問
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.
