Verbetering van de verbrandingsprestaties van een hybride raketmotor met behulp van een nieuwe brandstofkorrel met een geneste spiraalvormige structuur

Summary

Een techniek die gebruik maakt van een vaste brandstofkorrel met een nieuwe geneste spiraalvormige structuur om de verbrandingsprestaties van een hybride raketmotor te verbeteren, wordt gepresenteerd.

Abstract

Een techniek om de verbrandingsprestaties van een hybride raketmotor te verbeteren met behulp van een nieuwe brandstofkorrelstructuur wordt gepresenteerd. Deze techniek maakt gebruik van de verschillende regressie tarieven van acrylonitril butadieen styreen en paraffine-gebaseerde brandstoffen, die de uitwisseling van zowel materie en energie te verhogen door swirl flow en recirculatie zones gevormd op de groeven tussen de aangrenzende schensten. De centrifugaal giettechniek wordt gebruikt om de op paraffine gebaseerde brandstof in een acrylonitril butadieen styreensubstraat te gieten gemaakt door driedimensionaal printen. Met behulp van zuurstof als oxidatiemiddel, een reeks tests werden uitgevoerd om de verbranding prestaties van de nieuwe brandstofkorrel te onderzoeken. In vergelijking met paraffinegebaseerde brandstofkorrels vertoonde de brandstofkorrel met een geneste spiraalvormige structuur, die gedurende het gehele verbrandingsproces kan worden gehandhaafd, een aanzienlijke verbetering van het regressiepercentage en een groot potentieel voor verbetering van de verbrandingsefficiëntie.

Introduction

Een techniek om de verbrandingsprestaties van een hybride raketmotor te verbeteren is dringend vereist. Tot op heden zijn de praktische toepassingen van hybride raketmotoren nog steeds veel minder dan die van vaste en vloeibare raketmotoren^1,2. De lage regressiesnelheid van traditionele brandstoffen beperkt de verbetering van de stuwkrachtprestaties voor de hybride raketmotor^3,4. Bovendien is de verbrandingsefficiëntie iets lager dan die van andere chemische energieraketten als gevolg van interne diffusieverbranding⁵, zoals blijkt uit figuur 1. Hoewel verschillende technieken zijn bestudeerd en ontwikkeld, zoals het gebruik van multi-ports⁶, het verbeteren van additieven^7,8,9, vloeibaar maken van brandstof^10,11,12, swirl injectie¹³, uitsteeksels¹⁴, en bluf lichaam¹⁵, worden deze benaderingen geassocieerd met problemen in volumegebruik, verbrandingsefficiëntie, mechanische prestaties en redundantie kwaliteit. Tot nu toe heeft de structurele verbetering van het brandstofgraan, dat deze tekortkomingen niet vertoont , meer aandacht getrokken als een doeltreffend middel om de verbrandingsprestaties te verbeteren^16,17. De komst van driedimensionaal (3D) printen heeft brough een effectieve manier om de prestaties van hybride raketmotoren te verhogen door de mogelijkheid om snel en goedkoop complexe conventionele graanontwerpen of niet-conventionele brandstofkorrels^{18,19,20,21,22,23}, 24^{,25,26,27,28,29,30}te produceren . Tijdens het verbrandingsproces verminderen deze verbeteringen in de verbrandingsprestaties echter met de karakteristieke structuurverbranding , wat resulteert in een daling van de verbrandingsprestaties²³. We hebben aangetoond dat een nieuw ontwerp nuttig is bij het verbeteren van de prestaties van hybride raketmotoren³¹. De details voor deze techniek en representatieve resultaten worden in dit document gepresenteerd.

De brandstofkorrel bestaat uit een spiraalvormig substraat gemaakt door acrylonitril-butadieen-styreen (ABS) en een geneste paraffinebrandstof. Op basis van centrifugaal en 3D-printen werden de voordelen van de twee brandstoffen met verschillende regressiepercentages gecombineerd. De speciale spiraalvormige structuur van het brandstofkorrel na verbranding wordt weergegeven in figuur 2. Wanneer gas door de brandstofkorrel gaat, worden er tegelijkertijd talrijke recirculatiezones gecreëerd bij groeven tussen bladen, wat wordt weergegeven in figuur 3. Deze karakteristieke structuur op het binnenoppervlak verhoogt de turbulentie kinetische energie en werveling nummer in de verbrandingskamer, die de uitwisseling van zowel materie en energie in de verbrandingskamer te verhogen. Uiteindelijk wordt de regressiesnelheid van de nieuwe brandstofkorrel effectief verbeterd. Het effect van de verbetering van het regressiepercentage is goed bewezen: met name de regressiesnelheid van de nieuwe brandstofkorrel bleek 20% hoger te zijn dan dat van de op paraffine gebaseerde brandstof bij de massastroom van 4 g/s·cm^2,32.

Een voordeel van de brandstofkorrel met een geneste spiraalvormige structuur is dat het eenvoudig te vervaardigen is. Het gietproces vereist voornamelijk een smeltmixer, een centrifuge en een 3D-printer. Het ABS-substraat gevormd door 3D-printen verlaagt de productiekosten sterk. Een ander belangrijk en uniek voordeel is dat het verbeteringseffect niet verdwijnt tijdens het verbrandingsproces.

Dit document presenteert het experimentele systeem en de procedure voor het verbeteren van de verbrandingsprestaties van een hybride raketmotor met behulp van de nieuwe brandstofkorrelstructuur. Daarnaast bevat dit document drie representatieve vergelijkingen van verbrandingsprestatieparameters om de haalbaarheid van de techniek aan te tonen, waaronder oscillatiefrequentie van de druk van de verbrandingskamer, regressiesnelheid en verbrandingsefficiëntie die wordt gekenmerkt door karakteristieke snelheid.

Protocol

1. Experimentele opzet en procedures

1. Bereiding van brandstofkorrel
   LET OP: De brandstofkorrel met nieuwe structuur bestond uit twee delen, die in Figuur 4worden getoond. Als het grootste deel van de nieuwe korrel, de paraffine-gebaseerde brandstof is goed voor meer dan 80% van de totale massa. Het ABS substraat wordt gebruikt als extra brandstof. De voorbereiding van deze brandstofkorrel werd gerealiseerd door het combineren van 3D-printen en centrifugaalgieten.
   1. Substraatbereiding
      1. Open 3D-software voor ABS substraattekening.
         OPMERKING: Het ABS-substraat, dat bedoeld is om het spiraalvormige kader en de ondersteuning van de brandstof op basis van paraffine te bieden, bestaat uit twaalf geïntegreerde bladen die 360° met de klok mee draaien in de axiale richting en de wand.
      2. Sla de 3D-structuur van het ABS-substraat op als een STL-bestand.
      3. Open de 3D snijsoftware en importeer de structuur van ABS substraat.
      4. Klik op Snijdenstarten en selecteer De afdrukmodus Snelheid in hoofdsjabloon.
         LET OP: Kies voor de primaire extruder abs 1,75 mm.
      5. Dubbelklik op Snelheid,verander de infilldichtheid in 100% en selecteer Raft met Rok voor de Platform Addition.
         OPMERKING: Om de afdrukkwaliteit te verbeteren en kromtrekken te voorkomen, is het noodzakelijk om een structuur van printbasis(Raft met Rok)te gebruiken om het contactgebied tussen de printbeslag en de bodemplaat te vergroten.
      6. Klik op Opslaan en sluitenen klik vervolgens op Segment.
      7. Schakel de 3D-printer in en importeer het ABS-substraatsegmentbestand.
      8. Stel de temperatuur van het verwarmde bed en het mondstuk in op respectievelijk 100 en 240 °C.
      9. Klik op Start om af te drukken na stabilisatie.
   2. Paraffine-gebaseerde brandstofvoorbereiding
      1. Bereid grondstoffen van paraffine, polyethyleen (PE) was, stearic zuur, ethyleen-vinyl acetaat (EVA), en koolstofpoeder. Configureer de brandstof op basis van paraffine op basis van de verhouding van deze componenten als 0,58:0.2:0.1:0.1:0.02.
         LET OP: De specifieke informatie van elke grondstof wordt weergegeven in de materiaaltabel. De distributieverhouding van op paraffine gebaseerde brandstof is niet vast en kan op de juiste wijze worden aangepast aan het doel van het experiment. Het doel van het toevoegen van koolstofpoeder is om stralingswarmteoverdracht te blokkeren en te voorkomen dat de brandstofkorrel verzacht en instort tijdens verbranding.
      2. Plaats de geconfigureerde grondstoffen in de smeltmixer en smelt en roer volledig gemengd.
         OPMERKING: De op paraffine gebaseerde brandstof wordt verwarmd tot 120 °C om volledig smelten te garanderen en vervorming van de ABS-messen te voorkomen.
   3. Brandstofkorrelproductie
      OPMERKING: Om het effect van het verbeteren van de verbrandingsprestaties beter aan te tonen, werden op paraffine gebaseerde brandstofkorrels met dezelfde samenstelling ingesteld als de controle.
      1. Plaats het ABS-substraat in de centrifuge en bevestig het met een einddop.
      2. Sluit de stroom aan en schakel de pompschakelaar in.
      3. Zet het centrifugerelais aan en verhoog de snelheid tot 1400 tpm.
      4. Open de klep op de smeltmixer en begin met gieten.
         OPMERKING: De gesmolten paraffine-gebaseerde brandstof stroomt in het eerste deel van de mal door de pijp en het einddeksel met een centrale opening. Onder invloed van de zwaartekracht verspreidt de vloeibare brandstof zich langs de axiale richting van de mal. In combinatie met effectieve koeling is een meervoudige gietmethode nodig, die het oorspronkelijke eenmalige vulproces in meerdere keren moet verdelen, om de thermische stress te verminderen.
      5. Verwijder de brandstofkorrel en snijd de vorm bij.
   4. Meting en registratie van brandstofkorrels
      1. Meet en noteer het gewicht, de lengte en de binnendiameter van de brandstofkorrel.
      2. Fotografeer de volledige brandstofkorrel.
2. Voorbereiding van hybride raketmotorsysteem
   OPMERKING: Zoals aangegeven in figuur 5,bestond het hybride raketmotorsysteem uit vier delen: het toevoersysteem, het ontstekingssysteem, de motor en het meet- en regelsysteem. Het motoronderdeel bestond uit vijf delen: de fakkelontsteker, het hoofd, de verbrandingskamer, de naverbrandingskamer en het mondstuk. De totale lengte van de hybride raketmotor is ongeveer 300 mm, en de binnendiameter van de verbrandingskamer is 70 mm.
   1. Hybride raketmotorassemblage
      OPMERKING: De uitputtende details van de hybride raket op laboratoriumschaal en de samenstelling van het experimentele systeem zijn te vinden in het vorige document³².
      1. Bevestig het verbrandingskamergedeelte van de hybride raketmotor op de schuifrail.
      2. Laad de brandstofkorrel en installeer de naverbrandingskamersectie.
      3. Installeer het hoofd en mondstuk.
      4. Installeer de fakkelontbrander op het hoofd van de hybride raketmotor.
      5. Installeer de bougie en sluit de voeding aan.
   2. Sluit de stikstof-, oxidatiemiddelen, ontstekingsmethaan en zuurstofgastoevoerleidingen aan tussen de testbank en de gasfles.
   3. Sluit de industriële computer, de multifunctionele data-acquisitiekaart, de massastroomcontroller en de controlekast van de testbank aan.
   4. Kracht op de testbank, de massastroomcontroller en de ontsteker.
3. Controleer het testsysteem en stel de experimentele omstandigheden in.
   1. Open de FlowDDE-software en klik op Communicatie-instellingen vanuit de communicatie.
   2. Klik op de bijbehorende verbindingsinterface en klik op OK.
   3. Klik op Communicatie openen om de communicatie met de stroomregelaar tot stand te brengen en het meet- en besturingsprogramma (MCP) te openen.
   4. Stel het I/O-kanaal van de multifunctionele data-acquisitiekaart in en klik op Uitvoeren om de communicatie met het hele systeem tot stand te brengen.
   5. Controleer de status van MCP-run en stel de handmatige besturingselementmodus in.
      OPMERKING: De MCP bevat twee modi: handmatige bediening wordt gebruikt voor foutopsporing en automatische bediening wordt gebruikt tijdens experimenten. De MCP geschreven door LabVIEW is te zien in figuur 6.
   6. Controleer de werktoestand van de bougie en voer een kleptest uit.
   7. Test gegevens opname functie.
   8. Open de instellingsinterface en stel de testtijd in, inclusief klepopenings- en sluitingstijd, ontstekingstijd en duur van het registreren van gegevens.
      OPMERKING: Het duurt enige tijd voor de massastroom controller om de oxidatiemiddel stroom te regelen om de ingestelde waarde, dus de ontstekingstijd werd ingesteld op 2 s na de levering van oxidatiemiddel.
   9. Stel veiligheidseisen vast en maak het personeel uit het experimentele gebied vrij.
   10. Open de cilinderklep en pas de uitgangsdruk van de regelklep aan op basis van de verschillende omstandigheden in de massastroomsnelheid.
       LET OP: Met de aanvoerdruk van 6MPa ligt het bereik van de massastroom van de oxidatiemiddel tussen 7 g/s en 29 g/s.
   11. Open de instellingsinterface en stel de massastroomsnelheid van de oxidatiemiddel in.
4. Hybride raketmotorontsteking
   1. Zet de camera aan.
   2. Stel de MCP in op de automatische besturingsmodus en wacht op trigger.
   3. Klik op Start op de MCP om het experiment te starten.
   4. Na ongeveer een minuut klikt u op Stoppen op de MCP en schakelt u de camera uit.
   5. Sluit de gasfles en open de klep in de leiding om de druk te verlichten.
   6. Schakel de testbank uit en verwijder de brandstofkorrel.
   7. Herhaal stap 1.1.4.

2. Analyse van de verbrandingsprestaties

1. Analyse van drukschoiling
   LET OP: De opgeslagen drukgegevens van de verbrandingskamer worden weergegeven als P_c(t).
   1. Open P_{c (t)}met de data processing software.
   2. Kies de periode tijdens het verbrandingsproces van de hybride raketmotor.
   3. Selecteer Analyse > Signaalverwerking > FFT om de drukschoiling te analyseren.
   4. Gebruik de standaardinstellingen en klik op OK.
2. Analyse van regressiepercentage
   1. Bereken de regressiesnelheid van de brandstofkorrel volgens de volgende functie:
      
      wanneer ΔD de verandering van de gemiddelde binnendiameters van de vaste brandstofkorrel na de vuurproef weerdraagt; de verandering van kwaliteit van de brandstofkorrel vertegenwoordigen; L is de lengte van de brandstofkorrel; ρ is de gemiddelde dichtheid van de vaste brandstof; t is de werktijd.
      OPMERKING: De gemiddelde dichtheid ρ van de nieuwe korrel werd uitgedrukt als:
      
      waar en de dichtheid van het geneste paraffinebrandstof- en ABS-materiaal vertegenwoordigen; en de massafractie van respectievelijk het geneste brandstof- en ABS-materiaal op basis van paraffine vertegenwoordigen.
   2. Pas de regressiesnelheid aan als functie van oxidatiefflux.
      OPMERKING: De montagefunctie is geselecteerd als Allometric1 en het iteratief algoritme werd geselecteerd als Levenberg-Marquardt optimalisatiealgoritme.
3. Analyse van de verbrandingsefficiëntie
   1. Bereken de gemiddelde druk van de verbrandingskamer P_c met de volgende functie:
      
      wanneer P_c(t) de druk van de verbrandingskamer op verschillende tijdstippen vertegenwoordigt; t₁ en t_n vertegenwoordigen de initiële en laatste tijd waarop de druk van de verbrandingskamer groter was dan respectievelijk 50% van de gemiddelde druk; n vertegenwoordigt het aantal drukgegevenspunten tussen t ₁ en t_n.
   2. Bereken de snelheid van de verbrandingskenmerken C⃰ volgens de volgende functie:
      
      wanneer P_c de gemiddelde druk van de verbrandingskamer is; Een_t is het keelgebied; ḿ is de totale massastroom.
   3. Bereken de theoretische karakteristieke snelheid van paraffinebrandstof C⃰_P door NASA CEA code³³.

Results

Figuur 7 toont de veranderingen in de druk van de verbrandingskamer en de massastroom van oxidatiemiddelen. Om de benodigde tijd voor stroomregeling te bieden, komt de oxidatiemiddel op voorhand de verbrandingskamer binnen. Wanneer de motor druk opbouwt in de verbrandingskamer, daalt de zuurstofmassastroom snel en behoudt vervolgens een relatief gestage verandering. Tijdens het verbrandingsproces blijft de druk in de verbrandingskamer relatief stabiel.

Beelden met...

Discussion

De techniek die in dit document wordt voorgesteld is een nieuwe benadering gebruikend een brandstofkorrel met een geneste spiraalvormige structuur. Er zijn geen problemen bij het opzetten van de benodigde apparatuur en faciliteiten. De spiraalvormige structuur kan gemakkelijk worden geproduceerd door 3D-printen, en nesten van paraffine-gebaseerde brandstoffen kunnen gemakkelijk worden uitgevoerd door centrifugaalgieten. Gesmolten depositie molding (FDM) 3D-printers zijn niet duur en de kosten van centrifuges is laag.

...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
3D printer	Raise3D	N2 Plus	305 × 305 × 605 mm
3D tekensoftware	Autodesk	Inventor
ABS	Raise3D	ABS zwart	1,75 mm
Camera	Sony	A6000
Carbon	Aibeisi	ATP-88AT
Centrifugaalmachine	Luqiao Langbo Motor Co.Ltd	Aangepast	≤1450 rpm
Dataverwerkingssoftware	OriginLab	Origin 2020
EVA	DuPont Company	360	binder
Massastroomregelaar	Bronkhorst	F-203AV	0-1500 ln/min
Smeltmixer	Winzhou Chengyi Jixie Co.Ltd	Aangepast
Multifunctionele data-acquisitiekaart	NI	USB-6211
Paraffine	Sinopec Group Company	58#	Volledig geraffineerde paraffine, smeltpunt ≈58°C
PE-was	Qatar petroleum chemical industry Company	Aangepast
Slicer software	Raise3D	ideaMaker
Bougie	NGK	PFR7S8EG
Stearinezuur	ical Reagent Company	Aangepast	verharder