Przedstawiono technikę wykorzystującą ziarno paliwa stałego z nowatorską, zagnieżdżoną spiralną strukturą w celu poprawy wydajności spalania hybrydowego silnika rakietowego.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Przedstawiono technikę wykorzystującą ziarno paliwa stałego z nowatorską, zagnieżdżoną spiralną strukturą w celu poprawy wydajności spalania hybrydowego silnika rakietowego.
Przedstawiono technikę poprawy wydajności spalania hybrydowego silnika rakietowego przy użyciu nowatorskiej struktury ziarna paliwa. Technika ta wykorzystuje różne szybkości regresji paliw na bazie akrylonitrylu-butadienu, styrenu i parafiny, które zwiększają wymianę zarówno materii, jak i energii poprzez przepływ wirowy i strefy recyrkulacji utworzone w rowkach między sąsiednimi łopatkami. Technika odlewania odśrodkowego służy do odlewania paliwa na bazie parafiny na podłoże akrylonitryl-butadien-styren wykonane metodą druku trójwymiarowego. Wykorzystując tlen jako utleniacz, przeprowadzono serię testów w celu zbadania wydajności spalania nowego ziarna paliwa. W porównaniu z ziarnami paliwa na bazie parafiny, ziarno paliwa o zagnieżdżonej spiralnej strukturze, która może być utrzymywana przez cały proces spalania, wykazało znaczną poprawę współczynnika regresji i duży potencjał w poprawie efektywności spalania.
Technika poprawy wydajności spalania hybrydowego silnika rakietowego jest pilnie potrzebna. Do tej pory praktyczne zastosowania hybrydowych silników rakietowych są nadal znacznie mniejsze niż w przypadku silników rakietowych na paliwo stałe i ciekłe1,2. Niski współczynnik regresji tradycyjnych paliw ogranicza poprawę wydajności ciągu dla hybrydowego silnika rakietowego3,4. Ponadto jej wydajność spalania jest nieco niższa niż w przypadku innych rakiet wykorzystujących energię chemiczną ze względu na spalanie dyfuzyjne w 5, jak pokazano na Rysunek 1. Chociaż badano i rozwijano różne techniki, takie jak stosowanie wielu portów6, dodatki wzmacniające7,8,9, skraplanie paliwa10,11,12, swirl injection13, protrusions14, and bluff body15, podejścia te wiążą się z problemami w wykorzystaniu objętości, wydajności spalania, wydajności mechanicznej i jakości redundancji. Do tej pory więcej uwagi poświęcono ulepszeniu strukturalnemu ziarna paliwa, które nie ma tych wad, jako skuteczny sposób na poprawę wydajności spalania16,17. Pojawienie się druku trójwymiarowego (3D) przyniosło skuteczny sposób na zwiększenie wydajności hybrydowych silników rakietowych dzięki możliwości szybkiej i niedrogiej produkcji zarówno złożonych, konwencjonalnych projektów ziarna, jak i niekonwencjonalnych ziaren paliwa18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30. Jednak podczas procesu spalania te ulepszenia wydajności spalania zmniejszają się wraz ze spalaniem charakterystycznej struktury, co skutkuje spadkiem wydajności spalania23. Wykazaliśmy, że nowatorski projekt jest przydatny w poprawie osiągów hybrydowych silników rakietowych31. Szczegółowe informacje na temat tej techniki i reprezentatywne wyniki przedstawiono w niniejszym artykule.
Ziarno paliwa składa się z spiralnego podłoża wykonanego z akrylonitrylu-butadienu-styrenu (ABS) oraz zagnieżdżonego paliwa na bazie parafiny. W oparciu o druk odśrodkowy i druk 3D połączono zalety tych dwóch paliw o różnych wskaźnikach regresji. Specjalną spiralną strukturę ziarna paliwa po spaleniu pokazano na rysunku 2. Gdy gaz przepływa przez ziarno paliwa, w rowkach między łopatkami powstają jednocześnie liczne strefy recyrkulacji, co pokazano na rysunku Rysunek 3. Ta charakterystyczna struktura na wewnętrznej powierzchni zwiększa energię kinetyczną turbulencji i liczbę zawirowań w komorze spalania, co zwiększa wymianę zarówno materii, jak i energii w komorze spalania. Ostatecznie współczynnik regresji nowego ziarna paliwowego ulega skutecznej poprawie. Efekt poprawy współczynnika regresji został dobrze udowodniony: w szczególności wykazano, że współczynnik regresji nowego ziarna paliwa jest o 20% wyższy niż paliwa na bazie parafiny przy strumieniu masowym 4 g/s·cm2,32.
Jedną z zalet ziarna paliwa o zagnieżdżonej spiralnej strukturze jest to, że jest łatwe w produkcji. Proces formowania wymaga głównie mieszalnika stopu, wirówki i drukarki 3D. Podłoże ABS uformowane przez druk 3D znacznie obniża koszty produkcji. Kolejną istotną i unikalną zaletą jest to, że efekt wzmocnienia nie znika podczas procesu spalania.
Ten artykuł przedstawia eksperymentalny system i procedurę poprawy wydajności spalania hybrydowego silnika rakietowego przy użyciu nowatorskiej struktury ziarna paliwa. Dodatkowo w artykule przedstawiono trzy reprezentatywne porównania parametrów wydajności spalania w celu udowodnienia wykonalności tej techniki, w tym częstotliwości oscylacji ciśnienia w komorze spalania, szybkości regresji oraz sprawności spalania charakteryzującej się prędkością charakterystyczną.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
1. Układ eksperymentalny i procedury
2. Analiza wydajności spalania

oznacza zmianę masy ziarna paliwa; L to długość ziarna paliwa; ρ to średnia gęstość paliwa stałego; t to czas pracy.
oraz
reprezentują odpowiednio gęstość wtopionego paliwa na bazie parafiny i materiału ABS;
oraz
reprezentują odpowiednio ułamek masowy wtopionego paliwa na bazie parafiny i materiału ABS.
, a jako algorytm iteracyjny wybrano algorytm optymalizacji Levenberga-Marquardta.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Rysunek 7 przedstawia zmiany ciśnienia w komorze spalania oraz masowego natężenia przepływu utleniacza. Aby zapewnić niezbędny czas na regulację przepływu, utleniacz wprowadzany jest do komory spalania z wyprzedzeniem. W momencie wzrostu ciśnienia w komorze spalania silnika masowe natężenie przepływu tlenu gwałtownie spada, a następnie utrzymuje stosunkowo stabilną zmianę. Podczas procesu spalania ciśnienie w komorze spalania pozostaje stosunkowo stabilne.
Obrazy ...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Technika przedstawiona w tym artykule jest nowatorskim podejściem wykorzystującym ziarno paliwa o zagnieżdżonej strukturze spiralnej. Nie ma trudności z ustawieniem niezbędnego sprzętu i obiektów. Spiralną strukturę można łatwo wytworzyć za pomocą druku 3D, a zagnieżdżanie paliw na bazie parafiny można łatwo przeprowadzić przez odlewanie odśrodkowe. Drukarki 3D do formowania z topionym osadzaniem (FDM) nie są drogie, a koszt wirówek jest niski.
Gdy okazało się, że na wewnętrznej powierzchni uk...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Ta praca była wspierana przez Narodową Fundację Nauk Przyrodniczych Chin (Granty nr 11802315, 11872368 i 11927803) oraz Fundację Badań Sprzętowych Kluczowego Laboratorium Obrony Narodowej (Grant nr 6142701190402).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Drukarka 3D | Raise3D | N2 Plus | 305 & razy; 305 & razy; 605 mm |
| Oprogramowanie do rysowania 3D | Autodesk | Inventor | |
| ABS | Raise3D | ABS | 1,75 mm |
| Kamera | Sony | A6000 | |
| Carbon | Aibeisi | ATP-88AT | |
| Maszyna odśrodkowa | Luqiao Langbo Motor Co.Ltd | Custom | ≤ 1450 obr./min |
| Oprogramowanie do przetwarzania danych | OriginLab | Origin 2020 | |
| EVA | DuPont Company | 360 | spoiwo |
| Kontroler przepływu masowego | Bronkhost | F-203AV | 0-1500 ln/min |
| Mieszalnik stopu | Winzhou Chengyi Jixie Co.Ltd | Niestandardowa | |
| wielofunkcyjna karta akwizycji danych | NI | USB-6211 | |
| Parafina | Sinopec Group Company | 58# | W pełni rafinowana parafina, temperatura topnienia≈ 58&stopni; C |
| PE wosk | Katar przemysł naftowy chemiczny Firma | Niestandardowe | |
| oprogramowanie do krojenia | Raise3D | ideaMaker | |
| Świeca zapłonowa | NGK | PFR7S8EG | |
| Kwas stearynowy | ical Firma odczynnika | Niestandardowy | utwardzacz |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.