중첩 헬리칼 구조의 새로운 연료 입자를 사용하여 하이브리드 로켓 엔진의 연소 성능 향상
2021년 1월 18일
하이브리드 로켓 엔진의 연소 성능을 향상시키기 위해 새로운 중첩 헬리칼 구조로 고체 연료 곡물을 활용하는 기술이 제시됩니다.
이 방법은 곡물의 연소 성능을 개선하는 방법에 대한 질문에 대답하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이 프로토콜의 주요 장점은 연소 공정으로 헬리칼 구조 연료 곡물이 사라지지 않는다는 것입니다. 이 방법은 EBS 및 PUX와 같은 다양한 재료 편집을 사용하여 곡물 수식에도 적용할 수 있습니다.
3D 소프트웨어를 사용하여 아크릴로니트리어 부타디엔 스티렌 또는 ABS 기판을 준비하는 것으로 시작합니다. 3D 기판 구조를 STL 파일로 저장합니다. 그런 다음 3D 슬라이싱 소프트웨어를 열고 구조를 가져옵니다.
기본 템플릿에서 슬라이스 를 시작하고 속도 인쇄 모드를 선택합니다. 두 번 클릭 속도. 그런 다음 채우기 밀도를 100 %로 변경하고 플랫폼 에디션에 대한 스커트와 뗏목을 선택합니다.
저장을 클릭하고 닫은 다음 슬라이스를 클릭합니다. 3D 프린터를 켜고 ABS 기판의 슬라이스 파일을 가져옵니다. 가열 된 침대의 온도를 각각 섭씨 100도와 240도로 설정합니다.
안정화 후 인쇄를 시작합니다. 성공적인 인쇄를 보장하기 위해, ABS 기판과 핫 플레이트 사이의 접착력을 증가시키기 위해 핫 플레이트에 고체 접착제를 적용합니다. 파라핀 기반 의 연료 준비를 위해 파라핀, 폴리에틸렌 왁스, 스테릭 산, 에틸렌 비닐 아세테이트 및 탄소 분말의 원료를 준비합니다.
원고 방향에 따라 파라핀 기반 연료를 구성하고 구성된 재료를 용융 믹서에 배치합니다. 그런 다음 녹여 서 완전히 혼합 될 때까지 저어줍니다. ABS 기판을 원심분리기에 넣고 엔드 캡으로 고정합니다.
분말을 연결하고 물 냉각 펌프 스위치를 켭니다. 그런 다음 원심 분리기 릴레이를 켜고 속도를 1, 400 RPM으로 늘립니다. 용융 믹서에 밸브를 열고 주조를 시작합니다.
연료 곡물을 제거하고 모양을 다듬습니다. 전체 연료 곡물의 무게, 길이 및 내경을 측정하고 기록하고 촬영합니다. 하이브리드 로켓 엔진을 조립하려면 슬라이드 레일의 연소 챔버 섹션을 수정하고 연료 곡물을 적재하고 퇴전 챔버 섹션을 설치합니다.
머리와 노즐을 설치합니다. 그런 다음 하이브리드 로켓 엔진의 머리에 토치 점화기설치합니다. 스파크 플러그를 설치하고 전원 공급 장치를 연결합니다.
테스트 벤치와 가스 실린더 사이에 질소, 산화제, 점화 메탄 및 점화 산소 가스 공급 라인을 연결합니다. 산업용 컴퓨터, 다기능 데이터 수집 카드, 질량 흐름 컨트롤러 및 테스트 벤치의 제어 상자를 연결합니다. 테스트 벤치, 질량 흐름 컨트롤러 및 점화기의 전원.
FlowDDE 소프트웨어를 열고 통신 설정을 클릭합니다. 해당 연결 인터페이스를 클릭하고 확인을 클릭합니다. 열린 통신을 클릭하여 흐름 컨트롤러와의 통신을 설정합니다.
그런 다음 측정 및 제어 프로그램 또는 MCP를 엽니다. 다기능 데이터 수집 카드의 입력 및 출력 채널을 설정하고 실행을 클릭하여 전체 시스템과의 통신을 설정합니다. MCP 실행 상태를 확인하고 수동 제어 모드로 설정합니다.
스파크 플러그의 작동 상태를 확인하고 밸브 테스트를 수행합니다. 데이터 기록 기능을 테스트합니다. 그런 다음, 설정 인터페이스를 열고 밸브 개폐 시간, 점화 시간 및 데이터 기록 시간을 포함하여 테스트 시간을 설정합니다.
실험 영역에서 안전 요구 사항과 명확한 인력을 설정합니다. 실린더 밸브를 열고 다양한 질량 유량 조건에 따라 조절 밸브의 출력 압력을 조정합니다. 설정 인터페이스를 열고 산화기 질량 유량을 설정합니다.
카메라를 켜고 MCP를 자동 제어 모드로 설정하고 트리거를 기다립니다. MCP에서 시작하여 실험을 시작하십시오. 약 1분 후, 중지를 클릭하고 카메라를 끕니다.
가스 실린더를 닫고 파이프 라인의 밸브를 열어 압력을 완화합니다. 테스트 벤치에서 전원을 끄고 연료 곡물을 제거합니다. 이전에 설명한 대로 연료 곡물을 측정하고 촬영합니다.
연소챔버 압력 및 산화제 질량 유량의 변화는 여기에 나와 있다. 흐름 조절에 필요한 시간을 제공하기 위해 산화제는 연소실에 미리 들어갑니다. 엔진이 연소실에서 압력을 가하면 산소 질량 유량이 급격히 떨어지고 상대적으로 안정적인 변화를 유지합니다.
연소 과정에서 연소실의 압력은 안정적으로 유지됩니다. 연소 챔버 압력 진동 주파수의 비교는 여기에 제시된다. 새로운 연료 곡물의 압력 변동 스펙트럼에는 하이브리드 저주파, 헬름홀츠 모드 및 연소 챔버의 음향 하프 웨이브와 관련된 세 가지 뚜렷한 피크가 포함되어 있습니다.
새로운 연료 곡물의 압력 피크의 위치는 기본적으로 파라핀 기반 연료의 위치와 동일했으며, 이는 새로운 구조가 추가 연소 진동을 도입 할 가능성이 없다는 것을 나타냅니다. 산화제 플럭스의 기능으로서 회귀 속도는 연료 곡물 사이에서 비교되었다. 동일한 산화제 질량 유량에서, 새로운 연료 곡물의 회귀 속도는 파라핀 계 연료의 회귀 속도가 파라핀 계 연료보다 높았으며 산화제 플럭스가 증가함에 따라 간격이 점차 확대되었다.
특징적인 속도는 연소 효율을 비교하기 위해 사용되었습니다. 이 새로운 연료 곡물은 다양한 산화제및 연료 비에서 파라핀 기반 곡물보다 더 높은 특성 속도를 나타냈다. 이는 이 프로토콜을 시도할 때 평균 연소 효율이 약 2%인 것에 해당하며, 파라핀 기반 연료의 주조 온도가 섭씨 120도 이상일 수 없다는 것을 기억하십시오.
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개요
이 기사는 고체 연료 입자의 내부 나선형 구조를 활용하여 하이브리드 로켓 엔진의 연소 성능을 향상시키는 새로운 기술을 제시합니다. 나선형 구조는 연소 과정 전반에 걸쳐 연료 입자의 무결성을 유지합니다.
주요 연구 구성 요소
과학 분야
- 연소 성능
- 하이브리드 로켓 엔진
- 연료 입자 설계
배경
- 연소 효율성 향상은 하이브리드 로켓 엔진에 중요합니다.
- 기존 연료 입자는 연소 중 열화될 수 있습니다.
- 새로운 구조는 성능을 향상시킬 수 있습니다.
- 연료 입자에 대한 다양한 재료 조합을 탐색할 수 있습니다.
연구 목적
- 연소 성능을 향상시키는 연료 입자 설계를 개발합니다.
- 연소 중 나선형 구조 연료 입자의 내구성을 조사합니다.
- 이 방법의 다양한 재료 조성에 대한 적용 가능성을 평가합니다.
사용된 방법
- 3D 소프트웨어를 사용하여 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS) 기판 준비.
- 3D 기판 구조를 STL 파일로 저장합니다.
- 구조를 3D 슬라이싱 소프트웨어로 가져옵니다.
- 성능을 평가하기 위한 연소 테스트를 실시합니다.
주요 결과
- 나선형 구조 연료 입자는 연소 성능이 향상되었습니다.
- 연료 입자는 연소 과정 전반에 걸쳐 구조를 유지했습니다.
- 이 방법은 다른 재료 배합에 적용할 수 있습니다.
결론
- 새로운 나선형 구조는 하이브리드 로켓 엔진의 연소 효율성을 향상시킵니다.
- 이 접근 방식은 향후 연료 입자 설계에 유망한 방법을 제공합니다.
- 추가 연구를 통해 최적화를 위한 추가 재료 조성을 탐색할 수 있습니다.
자주 묻는 질문
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.
